CC BY
5МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.382.049.77
Многоканальные фотоячейки для 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-и-переходов. Исследованы процессы поглощения оптического излучения в области пространственного заряда многоканальной вертикально интегрированной структуры.
Ключевые слова: фотоэлектрические процессы, фотоячейка, вертикально интегрированные фоточувствительные структуры, распределение потенциала.
Создание фоточувствительных элементов спектрально-селективных фотоэлектрических преобразователей изображения для различных диапазонов излучения, интегрированных в одном кристалле со считывающей электронной схемой, является одной из актуальных проблем микроэлектроники. Спектрально-селективный матричный фотоприемник на основе трех вертикально интегрированных р-и-переходов [1] - одна 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.
Фотоприемные структуры и распределение потенциала в вертикально интегрированных ^-«-переходах. Цель настоящей работы - исследование фотоэлектрических процессов в фотоячейке на основе многоканальных вертикально интегрированных р-и-переходов.
Исследования выполнены на основе аналитических расчетов одномерной по толщине модели структуры фоточувствительной ячейки, а также путем численных расчетов на ЭВМ ее двумерной по толщине модели с помощью приборно-технологической САПР КБ ТСЛБ.
При освещении структуры ячейки сверху оптическим излучением на глубине залегания р-и-переходов обеспечивают разделение образующихся фотоносителей, соответствующих разным диапазонам длин волн оптического излучения. Это является следствием зависимости коэффициента поглощения оптического излучения в кремнии от длины волны [14]. Конструкция фотоячейки содержит полупроводниковые слои
© Е.А.Денисова, В.В.Уздовский, В.И.Хайновский, 2011
п- и р-типа проводимости, расположенные на полупроводниковой подложке р-типа. Прикладывая различные напряжения к п- и р-областям относительно подложки, можно создать в этих слоях необходимые по глубине «потенциальные ямы», чтобы накапливать и удерживать достаточные по величине поверхностные концентрации фотоэлектронов и фотодырок. Распределение электрического потенциала, образующееся вдоль направления в глубь подложки, имеет в р-областях минимумы, а в п-областях - максимумы. С физической точки зрения это означает формирование каналов в р-слоях для накопления дырок, а в п-слоях - для накопления электронов. При оптическом воздействии фотоносители разъединяются за счет внутреннего электрического поля и, таким образом, фотоэлектроны и фотодырки накапливаются внутри соответствующих каналов.
С целью увеличения селективности разложения «белого» света на спектральные диапазоны длин волн возможно применение конструкции фотоячейки, включающей в себя пять вертикально соединенных фотодиодов. При этом имеется пять р-п-переходов с расположением их металлургических границ от поверхности на расстояниях 0,2; 0,7; 1,2; 1,7; 2,5 мкм. Следовательно, вертикальная структура содержит три п-области, две р-области и р-подложку. К каждой области (и к подложке) имеется отдельный металлический контакт, с помощью которого можно выводить соответствующий фотосигнал. Толщины полупроводниковых областей выбраны из соображений выделения пяти отдельных спектральных диапазонов длин волн оптического излучения. На рис.1 изображена рассматриваемая структура фотоячейки в вертикальном разрезе. Она может быть изготовлена по стандартной КМОП-технологии, включающей в себя ионную имплантацию соответствующих легирующих примесей атомов (ионов) фосфора, бора с последующими их «отжигом» для создания последовательно вложенных одна в другую п- и р-областей. Для создания р-п-переходов концентрации соответствующих легирующих примесей увеличиваются в 10 раз (для перекомпенсации предыдущей примеси).
С увеличением концентрации примесей в п- и р-областях существенно уменьшаются соответствующие области пространственного заряда (ОПЗ) р-п-переходов и, следовательно, возрастают внутренние электрические поля. Для устранения превышения электрического поля ОПЗ критического значения в двух приповерхностных р-п-переходах выбраны меньшие концентрации легирующих примесей. Для этого предпоследнюю (к поверхности) р-область можно создать травлением предыдущей п-области на глубину 0,7 мкм с последующим заполнением вытравленной толщины кремнием р-типа методом эпитаксиального наращивания. Приповерхностная п-область глубиной 0,2 мкм выполняется традиционным образом - ионной имплантацией.
На рис.2 дан вид сверху (в плане) на фотоячейку, изображенную в масштабе с топологическими размерами, соответствующими субмикронным размерам фотоячейки с тремя р-п-переходами [15-17].
Электронные схемы считывания фотосигналов из каждой п- и р-области фотоячейки аналогичны схемам считывания трехдиодной фотоячейки и выполняются в прилегающих к ее фоточувствительной части р+-областях шириной 2 мкм. Каждая схема считывания включает в себя МОП-транзистор установки соответствующего напряжения обеднения на п- или р-область, затем усилительный МОП-транзистор и третий МОП-транзистор, предназначенный для считывания фотосигнала на шину разряда.
Схемотехническая организация управления фотоячейкой содержит пять «шин строк» для считывания фотосигналов пяти спектральных диапазонов длин волн и одну «шину разряда».
Распределение электрического потенциала в пятидиодной фотоячейке можно получить аналитическим решением уравнения Пуассона для каждой п- и р-области ее структуры (см. рис.1).
Рис.1. Схематический разрез фоточувствительной ячейки, содержащей пять вертикально-интегрированных р-и-переходов. У1, У2, У3, У4, У5 - управляющие напряжения
Рис.2. Планарный топологический вид расположения основных конструктивных элементов фотоячейки с пятью фотодиодами: 1 - фоточувствительная поверхность фотоячейки; 2 -металлургические границы р-и-переходов; 3 - контактные окна; 4 - р+-области для МОП-транзисторов схем считывания фотосигналов
Результаты численного моделирования. В результате аналитического расчета получены выражения для электрического потенциала. Расчет выполнен в каждой и- и р-области структуры на основе решения уравнения Пуассона с граничными условиями непрерывности напряженности электрического поля и электрического потенциала.
Результаты численного моделирования распределений электрических полей в трехди-одной структуре согласуются с результатами их аналитических исследований (рис.3). При выбранных напряжениях управления внутренние поля ОПЗ р-и-переходов в несколько раз меньше критического поля электрического пробоя.
Одним из основных параметров, определяющих в конечном счете фоточувствительность фотоячейки, являются величины поверхностных концентраций фотоносителей, накопленных в и- и р-областях. Для их определения используются полученные выражения для электрического потенциала. В начальном (обедненном) состоянии между областями устанавливается распределение электрического потенциала, задаваемое управляющими напряжениями. При расчете учитывается, что накопление фотогенерированных электронов и дырок в соответствующих «потенциальных ямах» и- и р-областей должно происходить таким образом, чтобы не возникало их переполнения, т.е. отсутствовало неконтролируемое
Рис.3. Распределения электрического потенциала в трехдиодной вертикальной фотоячейке при Т = 300 К. Кривая 1 - начальное стационарное состояние, управляющие напряжения равны: У1 = У3 = +3 В; У2 = +1 В; кривая 2 - равновесное состояние, соответствующие управляющие напряжения равны: У1 = У2 = У3 = 0; • - точки, полученные в результате аналитического расчета
растекание фотоносителей между соседними областями. В случае предельного заполнения областей фотоносителями разности электрических потенциалов на обратносме-щенных р-п-переходах не должны быть меньше соответствующих контактных разностей потенциалов. Исходя из указанных ограничений, рассчитаны величины максимальных поверхностных концентраций фотозарядов, накапливаемых в п- и р-областях. Для каждой указанной области выполнялось следующее соотношение:
Д0(1,2) = 0(1, 2) 2)
ъ£п,р фото тах
п,р тт ■>
(1)
где Д0(1'ДОТО - максимальная поверхностная концентрация накопленных фотозарядов;
Ог^пш^ Ог^плп - максимальная и минимальная поверхностные концентрации носителей зарядов в заполненной и пустой «потенциальной яме».
Для глубокой п-области получено выражение для начальной величины поверхностной концентрации темновых электронов:
0(1). = N(1)
тт д
Г
а- аж + 1V
2воб(У1 -У2 +Ф2)
е^(Р+1)
Л"
у
а также найдено предельное значение поверхностной концентрации электронов этой области:
для
0(1) = N(1)
2£-п тах д
(
а -
аж2 +
2808ф;
Л"
где N™ - концентрация доноров в глубокой п-области; а - глубина залегания
р-п-перехода глубокой п-области и р-подложки; а - отношение концентрации акцепторов в р-подложке к концентрации доноров в глубокой п-области; w1, w2 - соответственно толщины ОПЗ в р-подложке в случаях начального состояния структуры (в темноте) и в заполненном фотоносителями состоянии при ее освещении; 8о - электрическая постоянная; 8 - относительная диэлектрическая проницаемость кремния; е - заряд электрона; У1, У2 - управляющие напряжения соответственно для п- и р-областей; ф2 - контактная разность потенциалов между глубокой п-областью и средней р-областью; Р - отношение концентрации доноров в глубокой п-области к концентрации акцепторов в р-области.
Также получены выражения для начальной поверхностной концентрации темновых дырок в р-области:
О ■ = N(2)-
2£-р тт а
ь-
( (
Р
а -
V V
аw1 +:
Оп
(1)
п тт
N(1)
'д
+
28о8(^З -V, +Ф3)
eNа2)(у+1)
и для наибольшей поверхностной концентрации дырок в р-области в режиме ее освещения (при максимальном ее заполнении):
О = N(2) I ь-
тах а |
( (
Р
а -
V V
о(1)
, ъ^птах
2 N(1)
* д
+
уу
Л
2808ф 3 е^^+Г)
>
где Жр* - концентрация акцепторов в средней р-области; Ь - глубина залегания р-п-перехода средней р-области и глубокой п-области; ¥3 - управляющее напряжение для приповерхностной п-области; ф3 - контактная разность потенциалов между средней р-областью и приповерхностной п-областью; у - отношение концентрации акцепторов в средней р-области к концентрации доноров в приповерхностной п-области.
Аналогичным образом при исследовании заполнения приповерхностной п-области электронами получено соответствующее выражение для концентрации электронов:
ö(2) = N (2).
iin д
с-у
Q ( ( Ш»^
b-Np)-р
a -
Q(
aw+Qn
N(1)
V V 1Уд J J
где Nf - концентрация доноров в приповерхностной и-области; с - глубина залегания р-и-перехода приповерхностной и-области и средней р-области; w соответствует w 1 или w2; Qp соответствУет Qpmin или Qpmax; Q(ni соответствует и ߣ>„ при нахождении соответственно Qn2)in или Qnmax.
После подстановки основных оптимизированных значений фотоячейки согласно (1) получаем:
- для глубокой и-области AQ^TO = 4,36 •1011см-2;
- для средней р-области AQp фото = 1,12-1012 см-2;
- для приповерхностной и-области AQ^2j)0T0 = 7,9 •1011см-2.
Исходя из полученных максимальных поверхностных концентраций фотоносителей, найдены времена терморелаксации в каждой и- и р-области:
eAQ (1,2)
T(n,р) _ Рфото
Ттерм = (п,р) . ( )
-/терм
Максимальные значения плотностей токов термогенерации, входящие в соотношение (2), получены в результате численных расчетов на ЭВМ и соответственно равны:
/ТПрМ = 2,1 •Ю-6А/см2 для глубокой и-области; /ТрРм = 15•Ю-6А/см2 для р-области;
/ТП2М = 5,2 •Ю-6 А/см2 для приповерхностной и-области. Используя выражение (2), значения плотностей токов термогенерации носителей и значения максимальных величин накапливаемых концентраций фотоносителей, получены соответствующие значения
времени терморелаксации «потенциальных ям»: т^рм = 0,033 с, т4ррм = 0,012 с и ттПрм = 0,024 с. Исходя из физического смысла в качестве времени терморелаксации
всей структуры фотоячейки выбрано наименьшее (ттерм = 0,012 с). Для исключения
влияния термогенерации на процесс накопления фотозарядов время основного цикла управления фотоячейкой электрическими напряжениями выбрано приблизительно в
1000 раз меньшее, чем время терморелаксации: тцикл = 0,001-ттерм = 12 •10-6с. При этом
основная тактовая частота цикла управления фотоячейкой равна: /™<л = 1/Тцшог ~ 83 кГц. В реальности же из-за наличия множественных дефектов кри-
сталлической структуры п- и р-областей фотоячейки время терморелаксации может быть меньше в несколько раз. Тогда соответствующая частота цикла управления фотоячейкой может составлять ~200-300 кГц.
Кроме того, выполнены численные расчеты на ЭВМ с помощью программы САПР КБ ТСЛБ одномерного (рис.4) и двумерного распределений электрических потенциалов в полупроводниковой толще структуры фотоячейки в соответствии с толщинами слоев согласно рис.1 и выбранными концентрациями легирующих примесей в них. При этом на п- и р-области поданы обедняющие их напряжения: на п-области - V = V = V = +1,5 В, а на р-области - V2 = V4 = -1,0 В.
Рис.4. Распределение электрического потенциала в пятидиодной вертикальной фотоячейке при Т = 300 К. Кривая 1 - началь-
Также рассчитано время терморелаксации ное стаДи°нарн°е обедненное ^тоянж „ п- и р-областеи, управляющие напряжения:
рассматриваемой структуры:
р = терм
п, р фото
(3)
У = У3 = У5 = +1,5 В; У2 = У4 = -1,0 В; кривая 2 - равновесное состояние, управляющие напряжения: У1 = У2 = ¥3 = У4 = У5 = 0
п, р терм
= 2,62 -1011 см-2;
= 8,2 -1011 см-2;
При этом учтены максимальные рассчитанные значения фотоносителей, собираемых в каждой «потенциальной яме»:
- в глубокой п-области Абп1 фото
- в р-области А0р1 ф0Т0
- в средней п-области Абп2 ф0Т0
- в средней р-области А0р2 ф0Т0
- в приповерхностной п-области Абп3 ф0Т0
Установлено, что значения соответствующих плотностей термотоков в рассматриваемых п- и р-областях структуры равны 2,3; 6,4; 4,6; 10,0; 3,3 мкА/см . Поэтому, согласно выражению (1), времена терморелаксации п- и р-областей равны: тП^рм = 0,018 с;
п2 г\ „ . _р2 г\ поо „ _п3
= 18,4 -1011 см-2; = 13,9-1011 см-2;
= 9,64 -1011 см-2.
ср1
терм
т- 0,021 с; т
терм = 0,063 с; тре2рм = 0,022 с и т,3рМ = 0,047 с. В качестве общего вре-
мени терморелаксации всей структуры выберем наименьшее из указанных времен -0,018 с. Тогда время цикла (одного периода) управления фотоячейкой равно:
тцикл = 0,001-ттерм = 18 мкс, а соответствующая частота цикла управления фотоячейкой
равна: /цикл = 1/тцикл = 1/18 мкс = 56 кГц.
В результате математического анализа и численного моделирования на ЭВМ конструктивных параметров и вариации величин управляющих напряжений для многоканальной вертикально интегрированной фотоячейки установлено следующее:
- концентрации легирующих примесей в последовательно расположенных п- и
р-областях должны соответственно составлять: в глубокой п-области ^^ = 11016см-3,
в р-области Na ) - 1-101 7см 3, в приповерхностной и-области — 11018см 3 при концентрации легирующей примеси в р-подложке N.1'1 — Г1015см_3, а толщины указанных
областей соответственно равны 1,4; 0,4; 0,2 мкм;
- оптимальные величины управляющих (обедняющих) напряжений, приложенных относительно подложки, равны: для и-областей V1 = V3 = +3 В, для р-области V2 = +1 В, что создает необходимый рельеф электрического потенциала в указанной р-и-р-и-структуре и накопление в соответствующих «потенциальных ямах» и- и р-областей фотоносителей с поверхностными концентрациями соответственно: в глубокой и-области
(\) 112 12 2 Дбифото = 4,36 -10 см" , в средней р-области AQp фото = 1,12 -10 см" , в приповерхностной и-области А0П2фото = 7,9 -1011 см "2;
- общее время терморелаксации трехдиодной структуры приблизительно равно 12 мс и определяет номинальную частоту управления работой фотоячейки, приблизительно равную 80-100 кГц.
В результате анализа распределений электрического потенциала и напряженности электрического поля в толще указанной полупроводниковой структуры, а также исследования процессов накопления темновых зарядов в соответствующих «потенциальных ямах» структуры получены конструктивные параметры (толщины полупроводниковых слоев, концентрации легирующих примесей в них) и допустимые величины управляющих электрических напряжений.
Анализ процессов поглощения оптического излучения в областях пространственного заряда многоканальной структуры фотоячейки позволил установить систему уравнений, описывающих процессы фоторелаксации в «потенциальных ямах» структуры. В результате исследования процессов фоторелаксации путем численного решения указанной системы уравнений получены временные зависимости по накоплению фотозарядов в ии р-областях фотоячейки, рассчитаны спектральные характеристики фоточувствительно-стей и- и р-областей и соответствующие им времена фоторелаксации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № П1470).
Литература
1. Merrill R.B. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well-structure // US Patent № 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. 40-th Int. Symp. Opt. Eng. Inst. (San Diego, California, USA). - 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. Dash W.C., Newman R. Intrinsic optical absorption in single-crystal germanium and silicon at 77K and 300K // Physical Rewiew. - 1955. - Vol. 99, № 4, August. - P. 1151-1155.
15. Игнатьева Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Расчет конструктивных параметров и электрического потенциала трехдиодной вертикально интегрированной спектральноселективной фотоячейки // Изв. вузов. Электроника. - 2008. - № 1. - C. 35-42.
16. Ignatjeva E.A., Uzdovskii V. V., Khainovskii V.I. Study of the processes of photorelaxation and photoelectrical characteristics of three diode bulk integrated spectroselective photocell // Proc. of Technical Universities of Russia. Electronics. - 2008. - № 3. - P. 38-44.
17. Ignatjeva E.A., Uzdovskii V.V., Khainovskii V.I. Photoelectrical processes in spectroselective photosensitive cell based on three bulk integrated photodiodes // IEEE 2008 International Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials Proceedings 9-th Annual, Erlagol (Altai, July 1-5, 2008). - 2008. - P. 62-68.
Статья поступила 20 сентября 2010 г.
Денисова Елена Александровна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики МИЭТ. Область научных интересов: физика полупроводников, моделирование фотоэлектрических процессов в фотоприемных структурах.
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: uzdovskii@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.
