CC BY
8МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.382.049.77
Фотоэлектрические процессы в многоканальных спектрозональных фотоячейках с вертикально интегрированными р - ^-переходами для фотоэлектрических преобразователей изображения с разделением цветов
Е.А.Денисова, В.В. Уздовский, В.И.Хайновский
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Приведены результаты исследований фотоэлектрических процессов в фоточувствительных структурах на основе многоканальных вертикально интегрированных р - «-переходов. Изучены процессы фоторелаксации и процессы накопления фотозарядов, исследованы спектральные характеристики фоточувствительностей в вертикально интегрированных п- и р-областях фоточувствительной структуры.
Ключевые слова: фотоэлектрические процессы, фотоячейка, фоторелаксация, спектральные характеристики.
Создание фоточувствительных элементов спектрально-селективных фотоэлектрических преобразователей изображения для различных диапазонов излучения, интегрированных в одном кристалле со считывающей электронной схемой, - одна из актуальных проблем микроэлектроники. Спектрально-селективный матричный фотоприемник на основе трех вертикально-интегрированных р - «-переходов [ 1 ] является одной из удачных реализаций данного класса фотоприемных матриц. По своим конструктивным параметрам и фотоэлектрическим характеристикам он не уступает и даже превосходит известные спектрозональные фотоэлектрические преобразователи изображений на основе приборов с зарядовой связью [2-7]. В последнее время особый интерес проявляется к фотоприемникам на основе многослойных структур, обеспечивающим регистрацию различных диапазонов видимого спектра. Так, в работах [8-13] рассматриваются многослойные фоточувствительные структуры на основе аморфного кремния, в работе [14] исследованы вертикально интегрированные фоточувствительные структуры и получены распределения потенциала в них.
Фотоэлектрические процессы в вертикально интегрированных фоточувствительных структурах. Для исследования процессов накопления фотозарядов и, как следствие, расчета спектральных характеристик фоточувствительностей р- и «-областей рассматриваемой структуры в результате физического анализа получены соответствующие уравнения, описывающие процессы фотогенерации электронов и дырок в них. При этом поглощение оптического излучения в каждой «- и р-области определяется соответствующей толщиной ее области пространственных зарядов (ОПЗ) и коэффициен-
© Е.А.Денисова, В.В.Уздовский, В.И.Хайновский, 2011
том поглощения излучения для рассматриваемой длины волны. Полученные соотношения связывают скорости генерации фотоносителей в п- и р-областях с величинами фототоков, считываемых из п- и р-областей фотоячейки в фотодиодном режиме работы соответствующих р - п-переходов.
Рассмотренные уравнения и соотношения, используемые в программе КБ ТСАО, позволили на основе численного расчетного эксперимента на ЭВМ провести исследование процессов фотогенерации и определить значения фототоков, считываемых из фотоячейки, в зависимости от длины волны X поглощаемого оптического излучения. При этом были постоянными заданная внешняя освещенность поверхности фотоячейки Р, равная 3 Вт/см2, и ее фоточувствительная площадь £яч = 3 • 3 мкм2. Освещение фотоячейки осуществлялось при максимальных уровнях напряжений У\ = У3 = +3,0 В (глубокая и приповерхностная п-области), У2 = +1,0 В (средняя р-область) в интервале времени фотонакопления тнак до 30 нс.
По полученным данным для фототоков 1ф из п- и р-областей фотоячейки рассчитаны и построены спектральные характеристики фоточувствительностей этих областей в относительных единицах (рис.1). Видно, что максимальная фоточувствительность приповерхностной п-области наблюдается при X = 0,42 мкм в р-области при X = 0,5 мкм, а
в глубокой п-области при X = 0,62 мкм. Такое разделение поглощаемого оптического излучения на три диапазона длин волн: синий, зеленый и красный определяется выбранными толщинами полупроводниковых п- и р-слоев и зависимостью коэффициента поглощения света в кремнии от глубины его проникновения в толщу полупроводника (т.е. зависимостью от длины волны света). В рассмотренной структуре фотоячейки выбраны следующие толщины: 0,2 мкм для приповерхностной п-области; 0,4 мкм для р-области; 1,4 мкм для глубокой п-области.
При исследовании процессов накопления фотозарядов в п- и р-областях фотоячейки получены зависимости поверхностных концентраций накапливаемых фотоносителей от длительности времени освещения оптическим излучением. Установлено, что в интервале времен фотонакопления 0 < тнак < 75 нс проявляется линейный характер этих зависимостей, поскольку время 75 нс является предельным временем фоторелаксации рассматриваемой фотоячейки при Р = 3 Вт/см2. При больших временах фоторелаксации эти зависимости приобретают нелинейный характер, переходящий к насыщению, вследствие полного заполнения п- и р-областей соответствующими фотоносителями. Наклон указанных прямых определяет фототок и спектральную чувствительность каналов.
В силу различной спектральной фоточувствительности п- и р-областей, определяемой их глубиной расположения относительно поверхности структуры фотоячейки, времена фоторелаксации (заполнения) этих областей фотогенерируемыми носителями должны быть разными и зависеть от длины волны поглощаемого оптического излучения. На рис.2 изображены зависимости времен фоторелаксации п- и р-областей фотоячейки х„,р ф от длины волны X поглощаемого оптического излучения. Они получены на основе численного расчета величин генерируемых фототоков 1п,р ф и максимальных
/ф, отн. ед
Рис.1. Спектральные характеристики фоточувствительностей областей: 1 - приповерхностной п ; 2 - средней р; 3 - глубокой п
поверхностных концентраций фотоносителей, заполняющих соответствующие «потенциальные ямы» за время фоторелаксации, согласно следующему соотношению:
п,р ф
е • АО (1,\3) • £
е АОп,р ф ° я
I
п, р ф
где АОп'р'3 - поверхностные концентрации
накопленных фотозарядов.
Из рис.2 следует, что наименьшие времена фоторелаксации при Р = 3 Вт/см2 составляют 130 нс (кривая 1), 120 нс (кривая 2) и 75 нс (кривая 3) и наблюдаются в диапазонах длин волн поглощаемого оптического излучения, соответствующих максимальной фоточувствительности п- и р-областей фотоячейки. В целом время фоторелаксации фотоячейки определяется наименьшим из указанных времен при заданной ее освещенности. Установлено, что при уменьшении освещенности фотоячейки допустимое время накопления (освещения) пропорционально увеличивается.
При регистрации оптического излучения все пять фотодиодов фотоячейки под влиянием внешних обедняющих напряжений работают в фотодиодном режиме. Поэтому для записи уравнений фоторелаксации п- и р-областей структуры воспользуемся распределением ОПЗ и толщин электронейтральных областей, полученных в [14]. Численное решение системы этих уравнений дает зависимости во времени поверхностных концентраций фотоносителей в п- и р-областях, которые имеют линейный характер до полного заполнения потенциальных ям этих областей. Также численно рассчитаны значения фототоков, считываемых из рассматриваемых п- и р-областей в рабочем режиме в случае освещения фоточувствительной поверхности фотоячейки
(^ячф = 4,5-4,5 мкм2 световым потоком, создающим освещенность Р = 3 Вт/см2
чение времени освещения Тф = 30 нс в диапазоне длин волн 0,4-1,0 мкм.
На основании этих данных по фототокам построены (в относительном масштабе) спектральные характеристики фоточувствительно-стей каждой п-области структуры рассматриваемой фотоячейки, которые представлены на рис.3. Эти зависимости показывают, что максимумы спектральных фоточувствительностей п-областей соответствуют следующим длинам волн: для приповерхностной п-области
^тах = 0,42 мкм; для средней п-области ^тах = 0,53 мкм; для глубокой п-области Хшах = 0,7 мкм. Сравнение со спектральными характеристиками фоточувствительностей п- и р-областей трехдиодной фотоячейки показывает, что предложенная фотоячейка с пятью вертикально интегрированными фотодиодами проявляет большую селективность в разделении
Рис.2. Зависимость максимального времени фоторелаксации обедненных областей р—п-переходов трехдиодной фотоячейки от длины волны поглощаемого оптического излучения при Р = 3 Вт/см2: 1 - п-область; 2 -р-область; 3 - п-область
в те-
Рис.3. Спектральные характеристики фото-чувствительностей п-областей пятидиодной фотоячейки (сплошные линии): 1 - приповерхностная п-область; 2 - средняя п-область; 3 - глубокая п-область. Пунктир -спектральные характеристики фоточувстви-тельностей п- и р-областей трехдиодной фотоячейки
оптического диапазона длин волн на три спектральные области: «синюю», «зеленую» и «красную».
Кроме того, наличие еще двух дополнительных фотосигналов, считываемых из двух р-областей, дает два дополнительных спектральных диапазона с максимумами,
соответствующими длинам волн
ЛП1ах = 0,47 мкм и ЛП1ах = 0,62 мкм. Указанные особенности пятидиодной фотоячейки расширяют ее применение в качестве спектрозональ-ного фотоприемника для систем технического зрения.
Максимально допустимые времена фоторелаксации (накопления фотозарядов) рассчитываются по формуле
Рис.4. Зависимости максимального времени фоторелаксации обедненных областей р-я-переходов пятидиодной фотоячейки от длины волны поглощаемого оптического излучения при Р = 3 Вт/см2: 1 - глубокая я1; 2 - глубокаяр1; 3 - средняя п2; 4 - средняя р2;
5 - приповерхностная область п3
ТФ =■
яч.ф
I
п, р ф
По рассчитанным фототокам получены зависимости максимальных времен фоторелаксации для каждой п- и р-области пятидиодной фотоячейки (рис.4).
Наименьшие значения указанных максимальных времен фоторелаксации наблюдаются в диапазонах длин волн наибольших фоточувствительностей п- и р-областей и составляют 44, 222, 446, 167, 132 нс соответственно для областей я1, р1, я2, р2, я3. Вне диапазонов максимальных фоточувствительностей времена фоторелаксаций существенно возрастают.
Обсуждение результатов. Проведенный анализ конструктивных параметров, амплитуд управляющих напряжений и фотоэлектрических характеристик вертикально интегрированной пятидиодной фотоячейки показал возможность создания на ее основе спектрозонального фотоэлектрического преобразователя изображений с высокой селективностью выделения пяти оптических диапазонов длин волн. Это делает перспективным его применение в системах технического зрения.
В результате аналитических расчетов и численного моделирования на ЭВМ конструктивных параметров и вариации величин управляющих напряжений для многоканальной вертикально интегрированной фотоячейки установлено следующее.
1. Численный расчет на ЭВМ уравнений фоторелаксации п- и р-областей структуры показал, что максимумы спектральных фоточувствительностей лучше разделены, чем в трехдиодной фотоячейке, и приходятся на длины волн: 0,42 мкм для приповерхностной я-области; 0,47 мкм для средней р-области; 0,53 мкм для средней я-области; 0,62 мкм для глубокой р-области; 0,7 мкм для глубокой я-области.
2. При освещенности фотоячейки Р = 3 Вт/см2 (Х = 0,55 мкм ) времена фоторелаксации указанных областей соответственно равны: для глубокой я-области - 44 нс, для глубокой р-области - 222 нс, для средней я-области - 446 нс, для средней р-области -167 нс, для приповерхностной я-области - 132 нс;
3. Для электрической схемы считывания фотосигналов из каждой я- или р-области также необходимо три МОП-я-канальных субмикронных транзистора. При минимальном топологическом размере 0,35 мкм полная площадь фотоячейки 5яч = 11 -11 мкм2, а коэффициент ее заполнения фоточувствительной частью £ = 5 • 5 мкм2 - 21%.
составляет
е
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации проекта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 года (ГК№ П1470).
Литература
1. Merrill R.B. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well-structure // US Pat. № 5,969,875, Int.Cl. G01J 3/50, U.S.Cl. 250/226, 12 Oct. 1999.
2. Barsan R. Characteristics of the overlaid charge-coupled device // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1979. - Vol. ED-26, № 2. - P. 123-131.
3. Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Theoretical and experimental study of photoelectric characteristics of the two-channel bulk charge-coupled device // Optical Engineering. - 1994. - Vol. 33, № 7, July. -P. 2352-2356.
4. Khainovskii V.I., Uzdovskii V. V. Photoelectrical characteristics of the spectrozonal two-channel bulk charge coupled device // Proc. 40th Int. Symp. Opt. Eng. Inst. (San Diego, California, USA 1995). - 1995. -Vol. 2551, 13-14 July. - P. 189-196.
5. Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Numerical simulation of photoelectrical characteristics of the spectrozonal three-channel bulk charge coupled device // Optical Engineering. - 1997. - Vol. 36, June. - P. 1678-1684.
6. Хайновский В.И., Уздовский В.В., Гордо Н.М. Многофункциональные спектрозональные фоточувствительные объемные приборы с зарядовой связью // Изв. вузов. Электроника. - 1999. - № 3. -С. 45-51.
7. Хайновский В.И., Уздовский В.В., Гордо Н.М., Федоров Р.А. Моделирование процессов фоторелаксации в многоканальных объемных фоточувствительных приборах с зарядовой связью // Изв. вузов. Электроника. - 2000. - № 1. - С. 28-35.
8. Eberhardt K., Neidlinger T., Schubert M.B. Three-color sensor based on amorphous n-i-p-i-n layer sequence // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1995. - Vol. 42, № 10, Oct. - P. 1763-1768.
9. Zimmer J., Knipp D., Stiebig H., Wagner H. Amorphous Silicon-based unipolar detector for color recognition // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1999. - Vol. 46, № 5, May. - P. 884-891.
10. Topic M., Stiebig H., Knipp D., Smole F. Optimization of a-Si:H-based three-terminal three-color detectors // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1999. - Vol. 46, № 9, Sept. - P. 1839-1845.
11. Gradisnik V., Pavlovic M., Pivac B., Zulim I. Study of the color detection og a-Si:H by transient response in the visible range // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2002. - Vol. 49, № 4, Apr. -P. 550-556.
12. Cho K.-D., Tae H.-S., Chien S.-I. Improvement of color temperature using independent control of red, green, blue luminance in ac plasma display panel // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2003. - Vol. 50, № 2, Feb. - P. 359- 364.
13. The analysis of dark signals in the CMOS APS imagers from the characterization of test structures / H.I.Kwon, I.M.Kang, B.-G. Park et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2004. - Vol. 51, № 2, Feb. - P. 178-183.
14. Денисова Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Многоканальные фотоячейки для преобразователей изображения с разделением цветов / Изв. вузов. Электроника. - 2011. - № 2(88). - С. 14-21.
Статья поступила 28 января 2010 г.
Уздовский Валерий Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики МИЭТ. Область научных интересов: физика полупроводников, фотоэлектрические процессы в объемных каналах фотоприемников. E-mail: usdovskii@list.ru
Хайновский Владимир Иванович - кандидат физико-математических наук, доцент, научный консультант кафедры общей физики МИЭТ. Область научных интересов: физика полупроводников, структуры металл-диэлектрик-полупроводник, приборы с зарядовой связью.
Денисова Елена Александровна - кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры общей физики МИЭТ. Область научных интересов: физика полупроводников, моделирование фотоэлектрических процессов в фотоприемных структурах.
