ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
PHOTOSENSITIVE CHARGE-COUPLED DEVICE

Заявляемое устройство относится к области техники создания фоточувствительных многоэлементных приемников изображения.
В настоящее время фоточувствительные многоэлементные приемники изображения, реализованные на основе кремния, содержат в своем составе фоточувствительные структуры, работающие в широком диапазоне спектральной чувствительности, от ультрафиолетового (УФ) диапазона (~0,18-0,2 мкм) до ближнего инфракрасного (ИК) диапазона (~1,1 мкм). Достижение высокой чувствительности к УФ излучению в данных структурах сопряжено с преодолением основной трудности - создания конструкции фоточувствительной структуры, в которой фотогенерирование носителей заряда находится либо непосредственно в зоне действия поля области пространственного заряда (ОПЗ) полупроводниковой структуры, либо в ее непосредственной близости. Эти трудности связаны с малой величиной глубины проникновения УФ излучения в полупроводниковый материал (кремний), сравнимой с минимально возможными толщинами активных слоев полупроводниковых структур, например - р, n областей p-n - переходов.
Основными типами фоточувствительных структур многоэлементных приемников УФ излучения являются p-n переходы, индуцированные полем (МДП - конденсаторы), и р-n переходы, см., например, "Полупроводниковые формирователи сигналов изображения" под ред. П. Йесперса, Ф Ван де Виле и М. Уайта, "Мир", М., 1979 г., стр.52, 61).
При использовании в качестве фоточувствительной структуры p-n перехода, индуцированного полем (конструкция вида МДП), основной трудностью достижения высокой чувствительности к УФ излучению является фотогенерация носителей заряда на поверхности полупроводника, где поверхностные состояния на границе раздела диэлектрика и полупроводника активно участвуют в рекомбинации фотогенерированных носителей. Это уменьшает число собираемых в сигнальный зарядовый пакет фотогенерированных носителей и, как следствие, уменьшает чувствительность структуры к УФ излучению.
В случае использования р-n перехода в качестве фоточувствительной структуры, основной трудностью получения высокой чувствительности к УФ излучению является рекомбинация фотогенерированных носителей в приповерхностной области квазинейтральности p-n перехода фотодиода (см., например, "Полупроводниковые формирователи сигналов изображения" под ред. П. Йесперса, Ф Ван де Виле и М. Уайта, "Мир", М., 1979 г., стр.63-65.). В освещаемой приповерхностной области, где отсутствуют тянущие электрические поля ОПЗ р-n перехода, происходит процесс фотогенерации. Компромиссным решением в этом случае является создание в фотодиоде мелкого ассиметричного р-n перехода, позволяющего реализовать вытягивание фотогенерированных носителей из приповерхностной области в расположенную в непосредственной близости под приповерхностной областью фотогенерации ОПЗ р-n перехода.
Вследствие исключения из зоны фотогенерации области с поверхностными состояниями фоточувствительные структуры на основе р-n переходов более предпочтительны, т.к. обладают лучшей стабильностью параметров при сохранении высокой чувствительности. Однако фоточувствительные структуры на основе р-n переходов, в отличие от МДП - фоточувствительных структур, интегрируются в матричные фотоприемники с уменьшением фактора заполнения. Это связано, в основном, с тем, что для достижения высоких значений фактора заполнения фоточувствительные структуры в многоэлементных фотоприемниках должны выполнять функцию не только накопления заряда фотогенерированных носителей, но и его переноса.
Кроме этого создание чувствительных к УФ излучению областей в многоэлементных матричных фотоприемниках имеет технологическое ограничение, связанное с трудностью создания в пределах единого технологического цикла изготовления структур коммутатора и структур, чувствительных к УФ излучению. Таким образом, создание стабильных, технологичных, высокочувствительных к УФ излучению структур многоэлементных фотоприемников является актуальной задачей.
Из известных решений наиболее близким по технической сущности является ПЗС датчик изображения с тактируемым барьером виртуальной фазы з. US 2005/0029553 A1, оп. 10.02.2005. Данное устройство состоит из фоточувствительных структур с переносом заряда, каждая из которых содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости, область подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости, сформированной в приповерхностной части полупроводниковой подложки первого типа проводимости, область стоп-диффузии подложки с высокой концентрацией примеси первого типа проводимости, сформированной в приповерхностной области подложки и ограничивающей по периметру границы область канала переноса, слой подзатворного диэлектрика, расположенного на поверхности подложки, слой диэлектрика межслойной изоляции поликремниевых затворов, фоточувствительную область, обеспечивающую перенос заряда первого типа проводимости, созданную в приповерхностной области подложки внутри области объемного канала переноса второго типа проводимости и имеющую область перекрытия с ограничивающей объемный канал переноса второго типа проводимости областью стоп-диффузии подложки, с высокой концентрацией примеси первого типа с образованием в этой области перекрытия омического контакта. Под фоточувствительной областью, обеспечивающей перенос заряда, область объемного канала имеет меньшую по величине, чем эта фоточувствительная область, концентрацию примеси второго типа проводимости. Устройство также содержит первые и вторые затворы фаз переноса, изолированные друг от друга слоем диэлектрика межслойной изоляции и расположенные на подзатворном диэлектрике над областью подложки с объемным каналом переноса таким образом, что первый затвор переноса с одной стороны расположен рядом с обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью на расстоянии, обеспечивающем с ней зарядовую связь, а с другой стороны - рядом со вторым затвором переноса также на расстоянии, обеспечивающем с ним зарядовую связь.
Фоточувствительные структуры с переносом заряда, в соответствии с пат. US 2005/0029553 A1, оп. 10.02.2005, объединены в многоэлементный фоточувствительный прибор с зарядовой связью следующим образом.
Сформированные в области объемного канала переноса второго типа проводимости обеспечивающие перенос заряда фоточувствительные области и связанные с ними по заряду затворы переноса расположены друг за другом, циклически, таким образом, что, за фоточувствительными областями первого типа проводимости следуют расположенные рядом с ними первые затворы переноса, которые, в свою очередь, расположены рядом со вторыми затворами переноса, которые также, в свою очередь, расположены рядом с циклически повторенными обеспечивающими перенос заряда фоточувствительными областями первого типа проводимости, при этом область объемного канала переноса второго типа проводимости сформирована таким образом, что потенциал объемного канала переноса под затворами переноса в режиме инверсии поверхности больше потенциала объемного канала переноса под обеспечивающими перенос заряда фоточувствительными областями первого типа проводимости.
Недостатком данного многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью является низкая чувствительность к ультрафиолетовому излучению. Это связано с тем, что в данном устройстве область квазинейтральности фоточувствительной структуры на основе р-n перехода, на которую падает УФ излучение, имеет глубину залегания больше, чем глубина проникновения УФ излучения в кремний. Вследствие необходимости обеспечения переноса заряда посредством фоточувствительной области, именуемой виртуальной фазой переноса, потенциал данной фоточувствительной области не должен меняться при тактировании затворов переноса, см., например, пат. США 4229752, оп. 21.10.1980 г. Это достигается за счет высокого уровня легирования фоточувствительных областей, обеспечивающих перенос заряда, и большой (по сравнению с глубиной проникновения ультрафиолетового излучения) глубиной залегания этих областей в области канала переноса, что существенно уменьшает чувствительность к ультрафиолетовому излучению.
Заявляемое устройство решает задачу создания фоточувствительного прибора с зарядовой связью с увеличенной чувствительностью к УФ излучению.
Данная задача решается тем, что, в фоточувствительном приборе с зарядовой связью, содержащим полупроводниковую подложку первого типа проводимости, область подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости в приповерхностной части полупроводниковой подложки первого типа проводимости, области стоп-диффузии с высокой концентрацией примеси первого типа проводимости в приповерхностной области подложки, ограничивающие по периметру область канала переноса, слой подзатворного диэлектрика на поверхности подложки, обеспечивающую перенос заряда фоточувствительную область первого типа проводимости в приповерхностной области подложки внутри области объемного канала переноса второго типа проводимости, имеющую область перекрытия с областью стоп-диффузии с образованием в этой области перекрытия омического контакта, причем область объемного канала переноса второго типа проводимости под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью имеет меньшую по величине концентрацию примеси, чем эта фоточувствительная область, первый и второй затворы переноса, изолированные друг от друга слоем диэлектрика межслойной изоляции и расположенные на подзатворном диэлектрике над областью подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости таким образом, что первый затвор переноса с одной стороны расположен рядом с обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью на расстоянии, обеспечивающем с ней зарядовую связь, а с другой стороны - рядом со вторым затвором переноса на расстоянии, обеспечивающем с ним зарядовую связь, внутри области объемного канала переноса второго типа проводимости сформирована примыкающая к обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области и имеющая с ней омический контакт дополнительная фоточувствительная область первого типа проводимости, имеющая область перекрытия с областью стоп-диффузии с образованием в этой области перекрытия омического контакта, причем находящаяся под ней область объемного канала переноса второго типа проводимости имеет более низкую концентрацию примеси, чем область объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, при этом величина потенциала объемного канала переноса под дополнительной фоточувствительной областью меньше величины потенциала объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, а глубина залегания дополнительной фоточувствительной области в области канала переноса соответствует глубине проникновения ультрафиолетового излучения в данную полупроводниковую подложку.
В заявляемом фоточувствительном приборе с зарядовой связью увеличение чувствительности к ультрафиолетовому излучению обеспечивается за счет совместного и одновременного действия в пределах единой фоточувствительной области дополнительной фоточувствительной областью первого типа проводимости, фоточувствительной областью, обеспечивающей перенос заряда, и области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости, позволяющих:
+
+
1) разделить с минимально возможной вероятностью рекомбинации фотогенерированные носители (электронно-дырочные пары) в поле тонкого р-n (n-p) перехода, образованного дополнительной фоточувствительной областью первого типа проводимости и областью подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости, с последующей передачей их в зону действия полей канала по п.3;
2) создать потенциальную яму для накопления фотогенерированного заряда в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости под фоточувствительной областью;
3) связать по фотогенерированному заряду обеспечивающую перенос заряда фоточувствительную область с дополнительной фоточувствительной областью посредством области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости, т.е. создать конфигурацию тянущего электрического поля, которое переносит фотогенерированный заряд из дополнительной фоточувствительной области рождения фотогенерированных носителей заряда в созданную потенциальную яму в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости под фоточувствительной областью.
Такое техническое решение конструкции фоточувствительного прибора с зарядовой связью позволяет в результате совместного и нераздельного действия перечисленных выше элементов конструкции сформировать сигнальный зарядовый пакет, образованный в результате поглощения УФ излучения с низкой вероятностью рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар. Это свойство достигается за счет фотогенерации электронно-дырочных пар в поверхностной части дополнительной фоточувствительной области. Расположение этой части по глубине сравнимо с глубиной залегания дополнительной фоточувствительной области, созданной в подложке с объемным каналом переноса, и непосредственно граничит с областью действия электрического поля, разделяющего фотогенерированные электронно-дырочные пары и уменьшающего вероятность их рекомбинации. Экстрагированные из дополнительной фоточувствительной области фотогенерированные носители заряда под действием электрического поля переносятся в область потенциальной ямы, обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области, где и формируется сигнальный зарядовый пакет.
Еще одним отличием является то, что данная конструкция позволяет не только сформировать сигнальный зарядовый пакет, образованный в результате поглощения УФ излучения, но выполнять функцию элемента (фазы) переноса заряда в ПЗС-регистре, что в свою очередь позволяет на таких структурах формировать многоэлементные фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Это достигается следующим образом.
Сформированные в области объемного канала переноса второго типа проводимости фоточувствительные области и связанные с ними по заряду затворы переноса расположены друг за другом, циклически, таким образом, что за дополнительными фоточувствительными областями первого типа проводимости расположены обеспечивающие перенос заряда фоточувствительные области первого типа проводимости, за которыми следуют расположенные рядом с ними первые затворы переноса, которые, в свою очередь, расположены рядом со вторыми затворами переноса, которые также, в свою очередь, расположены рядом с циклически повторенными дополнительными фоточувствительными областями первого типа проводимости, при этом область объемного канала переноса второго типа проводимости сформирована таким образом, что потенциал объемного канала переноса под затворами переноса в режиме инверсии поверхности больше потенциала объемного канала переноса под обеспечивающими перенос заряда фоточувствительными областями первого типа проводимости.
На фиг.1 представлен фрагмент разреза кристалла фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.1 данного предложения.
На фиг.2 представлен фрагмент топологии кристалла фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.1 данного предложения.
На фиг.3 представлен фрагмент разреза кристалла многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.2 данного предложения.
На фиг.4 представлен фрагмент топологии кристалла многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.2 данного предложения.
На фиг.5 представлены временные диаграммы импульсов управляющих напряжений, поясняющие работу фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.1 данного предложения.
На фиг.6 представлены временные диаграммы импульсов управляющих напряжений, поясняющие работу многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.2 данного предложения.
На фиг.7 представлено распределение потенциала канала переноса второго типа проводимости 2 при управляющих напряжениях, соответствующих временной диаграмме фиг.5, поясняющее работу фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.1 данного предложения.
На фиг.8 представлено распределение потенциала канала переноса второго типа проводимости 2 при управляющих напряжениях, соответствующих временной диаграмме фиг.6, поясняющее работу многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.2 данного предложения.
На фиг.9 представлено распределение потенциала канала переноса второго типа проводимости 2 при управляющих напряжениях, соответствующих временной диаграмме фиг.6, как продолжение фиг.8, поясняющее работу многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью по п.2 данного предложения.
2
3
2
Заявляемый фоточувствительный прибор с зарядовой связью по п.1 данного предложения выполнен на основе кремния, и содержит следующие элементы конструкции. Подложку 1 первого типа проводимости, например р-типа проводимости, Фиг.1, Фиг.2, область подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2, сформированной в приповерхностной части полупроводниковой подложки первого типа проводимости, области стоп - диффузии 3 подложки с высокой концентрацией примеси первого типа проводимости, сформированной в приповерхностной области подложки и ограничивающей по периметру границы область канала переноса. На поверхности подложки 1 создан слой подзатворного диэлектрика 4. В приповерхностной области подложки внутри области объемного канала второго типа проводимости создана обеспечивающая перенос заряда фоточувствительная область первого типа проводимости 5, которая имеет также область перекрытия 6 с областью стоп-диффузии 3 ограничения канала с высокой концентрацией примеси первого типа подложки с образованием в этой области перекрытия 6 омического контакта. Под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5 сформирована область объемного канала 2 с меньшей величиной концентрации примеси второго типа проводимости N. Над областью подложки с объемным каналом переноса 2, на слое подзатворного диэлектрика 4, рядом с обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5 расположены первый 7 и второй 8 затворы переноса, изолированные друг от друга слоем диэлектрика межслойной изоляции 9. Первый затвор переноса 7 расположен с одной стороны рядом с обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5 на расстоянии, обеспечивающем с ней зарядовую связь. С другой стороны, рядом со вторым затвором переноса 8, также на расстоянии, обеспечивающем с ним зарядовую связь. В полупроводниковой подложке прибора 1, внутри области объемного канала переноса 2 второго типа проводимости, сформирована примыкающая к обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области 5 дополнительная вторая фоточувствительная область 10. В области объемного канала переноса 2, под фоточувствительной областью 10, сформирована третья концентрация примеси второго типа проводимости N, меньшая по величине, чем N. В месте примыкания дополнительная фоточувствительная область 10 первого типа проводимости имеет омический контакт с обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5 первого типа проводимости. Дополнительная фоточувствительная область 10 первого типа проводимости также как и обеспечивающая перенос заряда фоточувствительная область первого типа проводимости 5 имеет область перекрытия 6 с областью стоп-диффузии 3 ограничения канала с высокой концентрацией примеси первого типа подложки с образованием в этой области перекрытия 6 омического контакта.
Глубина залегания дополнительной фоточувствительной области 10 в объемном канале переноса второго типа проводимости 2 должна соответствовать глубине проникновения ультрафиолетового излучения в полупроводниковую подложку. Дополнительная фоточувствительная область 10 формирует потенциал расположенного под ним объемного канала переноса первого типа проводимости. В соответствии с Фиг.3 величина потенциала объемного канала переноса 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10 формируется меньше величины потенциала объемного канала переноса 2 под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 6. Данная конфигурация фоточувствительного прибора с зарядовой связью обеспечивает формирование зарядового пакета для последующего переноса в ПЗС устройства, в частности в ПЗС-регистр сдвига, посредством затвора переноса 11, Фиг.1, Фиг.2.
Заявляемый многоэлементный фоточувствительный прибор с зарядовой связью по п.2 данного предложения выполнен на основе кремния и содержит следующие элементы конструкции.
Сформированные в области объемного канала переноса второго типа проводимости 2 фоточувствительные области 5 и 10 и связанные с ними по заряду затворы переноса 7 и 8 расположены друг за другом, циклически, таким образом, что за дополнительными фоточувствительными к ультрафиолетовому излучению областями первого типа проводимости 10 расположены обеспечивающие перенос заряда фоточувствительные области первого типа проводимости 5, за которыми следуют расположенные рядом с ними первые затворы переноса 7, которые, в свою очередь, расположены рядом со вторыми затворами переноса 8, которые также, в свою очередь, расположены рядом с циклически повторенными дополнительными фоточувствительными к ультрафиолетовому излучению областями первого типа проводимости 10, при этом область объемного канала переноса 2 второго типа проводимости сформирована таким образом, что потенциал объемного канала переноса под затворами переноса 7 и 8 в режиме инверсии поверхности больше потенциала объемного канала переноса 2 под обеспечивающими перенос заряда фоточувствительными областями первого типа проводимости 5.
Заявляемые фоточувствительные приборы с зарядовой связью могут быть реализованы на основе приведенной конструкции с полупроводниковой подложкой первого типа проводимости 1 как р-типа, так и n-типа.
ss
Подложка 1 фоточувствительного прибора с зарядовой связью, Фиг.1, Фиг.2, подключена к точке нулевого потенциала (U=0, Фиг.1). Первый и второй затворы переноса 7 FG1 и 8 FG2 подключены к внешним источникам импульсного напряжения UFG1 и UFG2, соответственно.
ss
Подложка 1 многоэлементного фоточувствительного прибора с зарядовой связью, Фиг.3, Фиг.4, подключена к точке нулевого потенциала (U=0, Фиг.3). Первый и второй затворы переноса 7 FG1 и 8 FG2 подключены к внешним источникам импульсного напряжения UFG1 и UFG2, соответственно.
Фоточувствительный прибор с зарядовой связью работает следующим образом. На затворы переноса 7 G1 и 8 G2 подаются импульсные напряжения UG1 и UG2 в соответствии с временной диаграммой фиг.5.
0
В момент времени t=t на затворе 7 G1 устанавливается высокий уровень напряжения. Под затвором 7 G1 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 (n-типа) образуется потенциальная яма для основных носителей (электронов), Фиг.1, Фиг.7. Сформированный в результате накопления фотогенерированных носителей зарядовый пакет переносится из потенциальной ямы под фоточувствительной областью первого типа проводимости 5 в созданную под затвором 7 G1 более глубокую потенциальную яму. Потенциальные ямы в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 под фоточувствительными областями 5, 10 становятся пустыми.
1
В момент времени t=t на затворе 8 G2 устанавливается высокий уровень напряжения. Под затвором 8 G2 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуется потенциальная яма для неосновных носителей (электронов), Фиг.1, Фиг.7. Зарядовый пакет локализован в потенциальной яме объемного канала переноса второго типа проводимости 2 под затворами 7 G1 и 8 G2.
2
2
3
В момент времени t=t напряжение затвора 7 G1 принимает значение низкого уровня, формируя под ним в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальный барьер. Заряд полностью перетекает из области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2, расположенной под затвором 7 G1, в область канала 2 под затвором 8 G2. В интервале времени t-t зарядовый пакет локализован под затвором 8 G2.
2
j
dp
+
+
+
+
С момента времени t пустые потенциальные ямы в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 под фоточувствительными областями 5, 10 отсечены потенциальным барьером от канала переноса 2 и переведены в режим накопления. В режиме накопления кванты УФ излучения падают на дополнительную фоточувствительную область 10, Фиг.1, глубина залегания X которой сравнима с глубиной поглощения УФ излучения в кремнии и является достаточной для формирования р области на поверхности кремния. В режиме накопления, с одной стороны, потенциал канала создает область обеднения X, которая уменьшает поверхностную зону квазинейтральности р области 10. С другой стороны, потенциал канала создает поле для вытягивания фотогенерированных неосновных носителей из тонкой поверхностной зоны квазинейтральности p области 10 в потенциальную яму канала 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10. Таким образом, фотогенерированные неосновные носители вытягиваются из тонкой поверхностной зоны квазинейтральности р области 10 в потенциальную яму канала 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10, где под действием тянущего горизонтального поля канала перемещаются в область более глубокой потенциальной ямы под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5, там и происходит накопление заряда. В режиме накопления заряда в яме под дополнительной фоточувствительной областью 10 локализованного заряда нет, т.е. яма остается пустой. Таким образом, потенциал и поле, приложенные к дополнительной фоточувствительной области 10, в течение времени накопления заряда не меняются, что стабилизирует процесс фотогенерации носителей заряда и образования темнового тока.
3
3
4
В момент времени t=t на затворе 11 TG устанавливается высокий уровень напряжения. Под затвором 11 TG в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуется потенциальная яма для неосновных носителей (электронов), Фиг.1, Фиг.7. Зарядовый пакет частично перетекает в яму под затвор 11 TG и приемную фазу ПЗС-регистра, где он локализуется под затворами 8 G2, 11 TG и внешней приемной фазой ПЗС-регистра в интервале времени t-t.
4
В момент времени t=t напряжение затвора 8 G2 принимает значение низкого уровня, формируя под ним в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальный барьер. Зарядовый пакет локализуется под затвором 11 TG и внешней приемной фазой ПЗС-регистра.
5
В момент времени t=t напряжение затвора 11 TG принимает значение низкого уровня, формируя под ним в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальный барьер. Зарядовый пакет полностью локализован под внешней приемной фазой ПЗС-регистра.
6
0
В момент времени t=t, также как и в t=t, на затворе 7 G1 устанавливается высокий уровень напряжения. Под затвором 7 G1 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуется потенциальная яма для неосновных носителей (электронов), Фиг.1, Фиг.7.
7
7
0
В момент времени t накопленные за время t-t фотогенерированные носители из потенциальной ямы канала переноса 2 под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью первого типа проводимости 5 переносятся в созданную под затвором 7 G1 более глубокую потенциальную яму канала переноса 2. Потенциальные ямы в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 под фоточувствительными областями 5, 10 становятся пустыми.
8
7
В интервале времени t-t продолжается процесс накопления фотогенерированных в фоточувствительных областях 5, 10 носителей в потенциальных ямах под затворами 7 G1 и 9 G2.
8
8
9
В момент времени t=t напряжение затвора 7 G1 принимает значение низкого уровня, формируя под ним в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальный барьер. Заряд полностью перетекает из области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2, расположенной под затвором 7 G1, в область канала 2 под затвором 8 G2. В интервале времени t-t зарядовый пакет локализован под затвором 8 G2.
8
н
8
0
В момент времени t процесс накопления заряда за Т=t-t закончен, и начинается следующий цикл накопления заряда.
Многоэлементный фоточувствительный прибор с зарядовой связью по п.2 работает следующим образом. На затворы 7 FG1 и 8 FG2, выполняющие роль фаз переноса вертикального ПЗС-регистра, подаются импульсные напряжения UFG1 и UFG2 в соответствии с временной диаграммой фиг.6.
0
0
В момент времени t=t на затворах 7 FG1 вертикального ПЗС-регистра устанавливается высокий уровень напряжения. Под затворами 7 FG1 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуется потенциальная яма для неосновных носителей (электронов), Фиг.3, Фиг.8. Сформированные в результате накопления фотогенерированных носителей (до момента времени t=t) зарядовые пакеты переносятся из потенциальных ям под обеспечивающими перенос заряда фоточувствительными областями первого типа проводимости (5) в созданные под затворами 7 FG1 более глубокие потенциальные ямы. Потенциальные ямы в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 под фоточувствительными областями 5, 10 становятся пустыми.
1
В момент времени t=t на затворах 8 FG2 устанавливается высокий уровень напряжения. Под затворами 8 FG2 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуются потенциальные ямы для основных носителей (электронов), Фиг.3, Фиг.8. Зарядовый пакет локализован в потенциальной яме объемного канала переноса второго типа проводимости 2 под затворами 7, 8 (FG1 и FG2).
2
2
3
В момент времени t=t напряжение затворов 7 FG1 принимает значение низкого уровня, формируя под ними в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальный барьер. Заряд полностью перетекает из области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2, расположенные под затворами 7 FG1, в области канала 2 под затворами 8 FG2. В интервале времени t-t зарядовые пакеты локализованы под затворами 8 FG2.
3
3
4
В момент времени t=t на затворы 11 TG, расположенные за последними затворами 8 FG2 в последних элементах n всех вертикальных столбцов, устанавливается высокий уровень напряжения. Под затворами 11 TG в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуются потенциальные ямы для неосновных носителей (электронов), Фиг.2, Фиг.8. Зарядовые пакеты из под затворов 8 FG2 частично перетекают в ямы под затворами 11 TG. В интервале времени t-t зарядовые пакеты локализованы под затворами 8 FG2 и затворами 11 TG.
4
3
4
В момент времени t=t напряжение затворов 8 FG2 принимает значение низкого уровня, формируя под ними в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальные барьеры. Зарядовые пакеты локализуются в потенциальных ямах под фоточувствительными областями первого типа проводимости 5, 10. Локализованые в интервале времени t-t под затворами 8 FG2 и затворами 11 TG зарядовые пакеты переносятся под затворы 11 TG, где хранятся для последующего переноса во внешние приемные фазы ПЗС секции хранения.
5
0
5
3
4
В момент времени t=t, также как и в t=t, на затворах 7 FG1 вертикального ПЗС-регистра устанавливается высокий уровень напряжения. Под затворами 7 FG1 в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 образуются потенциальные ямы для неосновных носителей (электронов), Фиг.3, Фиг.8, 9, в которые полностью переносятся зарядовые пакеты из потенциальных ям под фоточувствительными областями первого типа проводимости 5, 10. Таким образом, в момент времени t=t в вертикальном регистре произошел перенос зарядового пакета на 1 элемент регистра. Кроме этого в интервале времени t-t напряжение затворов 11 TG сохраняет высокий уровень напряжения, формируя под ними в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальные ямы, в которых локализованы зарядовые пакеты элементов №n и подготовлены для передачи во внешние приемные фазы ПЗС секции хранения.
6
В момент времени t=t напряжение затворов 11 TG принимает значение низкого уровня, формируя под ними в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 потенциальные барьеры. Зарядовые пакеты элементов №n переносятся во внешние приемные фазы ПЗС секции хранения. В элементах №1 вследствие переноса зарядовых пакетов в вертикальных ПЗС-регистрах на 1 элемент зарядовых пакетов нет (величина зарядового пакета равна 0).
0
6
После проведения n-кратного тактирования вертикальных ПЗС-регистров (n-кратного тактирования 7FG1, 8FG2, TG циклов действия импульсов напряжений с t=t по t=t) все зарядовые пакеты вертикальных ПЗС-регистров вынесены в ПЗС секцию хранения, т.е. в вертикальных ПЗС регистрах зарядовых пакетов нет.
7
В момент времени t=t с момента, когда все зарядовые пакеты вертикальных ПЗС-регистров вынесены и напряжение затворов 8 FG2 принимает значение низкого уровня, начинается накопление фотогенерированных носителей в потенциальных ямах под первыми и вторыми фоточувствительными областями первого типа проводимости 5, 10.
8
8
В момент времени t=t происходит вынос последних зарядовых пакетов 1 элементов из вертикальных ПЗС-регистров в ПЗС секцию хранения. Цикл выноса n-зарядовых пакетов из вертикальных ПЗС-регистров в момент времени t=t завершен.
7
0
7
j
dp
+
+
+
+
Накопление заряда происходит за время накопления Тн с момента времени t=t до t=t следующего цикла работы устройства (следующего кадра). С момента времени t пустые потенциальные ямы в области подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2 под фоточувствительными областями (5), (10) отсекаются потенциальными барьерами от канала переноса 2 под затворами 7FG1, 8 FG2 и переводятся в режим накопления. В режиме накопления кванты УФ излучения падают на дополнительную фоточувствительную область 10, Фиг.3, глубина залегания X которой сравнима с глубиной поглощения УФ излучения в кремнии и является достаточной для формирования р области на поверхности кремния. В режиме накопления, с одной стороны, потенциал канала создает область обеднения X, которая уменьшает поверхностную зону квазинейтральности р области 10. С другой стороны, потенциал канала создает поле для вытягивания фотогенерированных неосновных носителей из тонкой поверхностной зоны квазинейтральности p области 10 в потенциальную яму канала 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10. Таким образом, фотогенерированные неосновные носители вытягиваются из тонкой поверхностной зоны квазинейтральности р области 10 в потенциальную яму канала 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10, где под действием тянущего горизонтального поля канала перемещаются в область более глубокой потенциальной ямы под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5, там и происходит накопление заряда. В режиме накопления заряда в яме под дополнительной фоточувствительной областью 10 локализованного заряда нет, т.е. яма остается пустой. Таким образом, потенциал и поле, приложенные к дополнительной фоточувствительной области 10, в течение времени накопления заряда не меняются, что стабилизирует процесс фотогенерации носителей заряда и образования темнового тока.
0
В момент времени t следующего кадра, с момента переноса накопленного заряда фотогенерированных носителей из потенциальных ям под фоточувствительными областями 5, 10 в потенциальные ямы под затворами 7FG1, процесс накопления заряда прекращается и начинается цикл выноса заряда из вертикальных ПЗС-регистров следующего кадра.
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью по пп.1 и 2 с чувствительными к УФ излучению элементами выполнены следующим образом.
14
-3
12
2
1. В кремниевой подложке 1 р-типа проводимости с концентрацией р~5×10 смсформирована область подложки с объемным каналом переноса второго типа проводимости 2, сформированной в приповерхностной части полупроводниковой подложки первого типа проводимости, например, методом ионного легирования. Доза легирования составляла величину D1=2×10 ион. фосфора/см.
+
17
-3
2. Область стоп-диффузии 3 подложки с высокой концентрацией примеси первого типа проводимости р~6,4×10 см сформирована, например, методом диффузии.
3. Слой подзатворного диэлектрика (окисла) 4 толщиной порядка 600-700 А расположен на поверхности подложки 1.
4. Слой диэлектрика межслойной изоляции (окисла) 9 поликремниевых затворов составлял величину порядка 0,2-0,3 мкм.
12
2
5. Обеспечивающая перенос заряда фоточувствительная область первого типа проводимости 5, созданная в приповерхностной области подложки внутри области объемного канала 2 второго типа проводимости, сформирована методом ИЛ, D2=5×10 ион. бора/см.
+
17
6. Область перекрытия 6 обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области первого типа проводимости 5 с областью стоп-диффузии 3 канала с высокой концентрацией примеси первого типа подложки сформирована методом ИЛ области перекрытия 6 с образованием в ней омического контакта. Концентрация примеси в приповерхностной части области 6 составляет величину р~7×10.
12
2
7. Область канала переноса под фоточувствительной областью 5 второй, меньшей по величине концентрации примеси второго типа проводимости, сформирована методом ИЛ, D3=3×10 ион. бора/см.
12
8. Область канала переноса под дополнительной фоточувствительной областью 10 третьей, меньшей по величине концентрации примеси второго типа проводимости сформирована методом ИЛ, D=0.5×10.
9. Первый и второй затворы переноса 7 и 8 выполнены из легированного проводящего поликремния.
10. Затворы переноса 7 и 8 расположены на подзатворном диэлектрике 4 - термическом окисле кремния, созданном над областью подложки с объемным каналом переноса 2
12
11. Обеспечивающая перенос заряда фоточувствительная область 10, имеющая область перекрытия 6 с областью стоп-диффузии 3 ограничения канала с высокой концентрацией примеси первого типа подложки с образованием в этой области перекрытия 6 омического контакта, сформирована методом ИЛ, D=10 с имплантацией на глубину порядка 50-100 А.
12. Величина потенциала объемного канала переноса 2 под дополнительной фоточувствительной областью 10 порядка 3в.
13. Величины потенциала объемного канала переноса 2 под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью 5 порядка 4в.
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью по пп.1 и 2 с чувствительными к УФ излучению элементами имеют большую величину чувствительности, чем ПЗС датчик изображения с тактируемым барьером виртуальной фазы пат. US 2005/0029553 A1, оп. feb.10, 2005.
В таблице 1. приведены параметры для предлагаемого фоточувствительного прибора с зарядовой связью и для известного решения по пат. US 2005/0029553 A1, оп. feb.10, 2005 (прототип). Типичная глубина залегания области подложки с объемным каналом переноса 2 - 0,6 мкм., глубина залегания фоточувствительной области 5 в объемном канале переноса 2 - 0,2 мкм, глубина залегания фоточувствительной области 10 в объемном канале переноса 2 - 0,02 мкм.
В таблице приведены расчетные значение квантовой эффективности без учета отражения от поверхности кремниевой подложки 2 и подзатворного диэлектрика 4. Данные представлены для предложенного решения с фоточувствительной областью, состоящей из 10% площади области 5 и 90% площади области 10.
Таблица
Вид прибора
Доля излучения, приходящаяся на область квазинейтральности (области низкой чувствительности к излучению) в фоточувствительной области 10 при обратном смещении
Расчетное значение квантовой эффективности для общей фоточувствительной области - 10% область 5, 90% - область 10.
Глубина поглощения излучения в кремнии на длине волны 0,2 мкм (1), 0,3 мкм (2), 0,35 мкм (3)
Доля излучения, приходящаяся на область квазинейтральности (области низкой чувствительности к излучению) в фоточувствительной области 5
Заявляемое устройство
50%
50%
6×10Е-3 мкм (1)
100%
10%
85%
2,1×10Е-3 мкм (2)
100%
1%
90%
3,3×10Е-2 мкм (3)
100%
Устройство - прототип
менее 1%
6×10Е-3 мкм (1)
100%
менее 1%
2,1×10Е-3 мкм (2)
100%
менее 1%
3.3×10Е-2 мкм (3)
100%
Как видно из приведенных параметров, предложенное решение обладает более высоким значением квантовой эффективности к УФ излучению в области длин волн 0,2 мкм - 0,35 мкм.
Тестовые образцы структур предложенного решения по п.2 описания обладают неэффективностью переноса на уровне 3×10Е-6 на частоте 5 МГц, что достаточно для работы вертикальных регистров ФППЗ телевизионного назначения.