CC BY
4УДК 621.382.049.77
Шумы в спектрозональных многоканальных фотоячейках для фотоприемников с разделением цветов с вертикально интегрированными р-п-переходами
Е.А. Денисова, В.В. Уздовский, В.И. Хайновский
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Noises in Spectrum-Region Multichannel Photocells for Image Converters with Color Separation with Vertically Integrated P-N-Junctions
E.A. Denisova, V. V. Uzdovskii, V.I. Khainovskii
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
Исследованы характеристики динамического диапазона многоканальной фотоячейки, а также отношение сигнал/шум для считываемых фотосигналов из n- и ^-областей фотоячейки. Установлено, что значения фото-чувствительностей определяются как выбранными конструктивными параметрами фотоячейки, так и максимально возможными управляющими напряжениями. Показано, что считываемый фотосигнал многоканальной фотодиодной структуры пропорционален световому потоку.
Ключевые слова: многоканальные фотоячейки; отношение сигнал/шум; фотоприемники с разделением цветов; вертикально интегрированные ^-n-переходы.
The characteristics of the multichannel photocell dynamic range have been investigated. The signal-noise ratio for read-out photo signals from n-, ^-regions of the photocell has been studied. It has been found that the values of photosen-sitivity are determined by both, the chosen constructive parameters of the photocell and the maximally possible values of controlling voltages. It has been taken into account that the value of the read-out photo signal of the multichannel photo diode structure is proportional to light flux. The analysis has been executed based on the analytical calculations of one-dimensional thickness model of the photosensitive cell structure, as well as by way of the numerical calculations on a computer of its two-dimensional thickness model using the ISE TCAD device-technological computer-aided design system.
Keywords: photosensitive structures; signal to noise ratio; multichannel vertically integrated p-n junctions; multichannel photocell; image converters with color separation.
Введение. Разработка спектрально-селективных матричных фотоприемников является в настоящее время актуальной задачей. Данный класс интегральных фотоприемных устройств видимого диапазона необходим для усовершенствования систем приема изображения и улучшения параметров по распознаванию цели.
© Е.А. Денисова, В.В. Уздовский, В.И. Хайновский, 2017
В работах [1-3] представлены результаты исследования распределений электрического потенциала и фотоэлектрических характеристик фоточувствительной трех-диодной ячейки спектрозонального матричного фотоприемника. Работа такого фотоприемника основана на зависимости коэффициента поглощения оптического излучения в кремнии от длины волны для различной глубины проникновения оптического излучения в материал подложки [4]. Спектрозональный матричный фотоприемник фирмы Боуеоп на основе трех вертикально интегрированных р-п-переходов - одна из удачных практических реализаций фотоприемных матриц. Он характеризуется сравнительно малыми по площади фоточувствительными элементами разложения оптического изображения и достаточно высокой степенью их интеграции на одном кристалле с учетом разложения изображения на три оптических диапазона длин волн («синий», «зеленый», «красный») [5]. По своим конструктивным параметрам и фотоэлектрическим характеристикам данный фотоприемник не уступает и даже превосходит известные спектрозональные фотоэлектрические преобразователи изображений на основе приборов с зарядовой связью [6-10]. Так, в работах [11-16] рассматриваются многослойные фоточувствительные структуры на основе аморфного кремния.
В последнее время особый интерес проявляется к фотоприемникам на основе многослойных структур, обеспечивающих регистрацию различного диапазона видимого спектра, а также структур с трехмерной интеграцией. Многослойные структуры с вертикально интегрированными р-п-переходами, обеспечивающими разделение образующихся фотоносителей, которые соответствуют разным диапазонам длин волн оптического излучения, описаны в работах [ 17-26].
В настоящей работе анализ шумовых характеристик выполнен 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 ТСАО швейцарской фирмы КБ.
Оценка отношений сигнал/шум считываемого фотосигнала. Для характеристики динамического диапазона фотоячейки как фотоприемника важно знать предполагаемые значения отношений сигнал/шум для считываемых из п- и р-областей фотосигналов. Наибольшие значения фоточувствительностей этих областей, т.е. накапливаемых в них зарядов, определяются выбранными конструктивными параметрами фотоячейки (поверхностной площадью фоточувствительной части ячейки, толщинами п- и р-областей, концентрацией легирующих примесей в них) и максимально возможными управляющими напряжениями.
В рассматриваемом случае шумовой сигнал должен возникать в основном в результате флуктуаций поглощаемого светового потока, термических флуктуаций темнового заряда в и- и р-областях, а также вследствие наличия процессов генерации-рекомбинации электронов и дырок через глубокие ловушки в этих областях. Считываемый фотосигнал из каждого фотодиода структуры пропорционален поглощаемому световому потоку и фоточувствительной площади фотоячейки.
На рис.1,а изображена эквивалентная схема отдельного фотодиода, включающая генератор фототока, зашунтированный электрической емкостью р-и-перехода диода, и последовательно включенное сопротивление базовой области этого фотодиода. Преобразовав генератор фототока в эквивалентный ему генератор напряжения, получим электрическую схему, показанную на рис. 1,6.
Рис.1. Эквивалентная электрическая схема фотодиода на основе генератора фототока (а)
и генератора напряжения (б)
Тогда выходные напряжения фотосигнала определяются как
иф (ю) * Ян
ивых (ю) =•
11
«С ]2 + Я )2
(1)
Здесь и ф =
I ф (ю)
юС
- напряжение фотосигнала на всей структуре; С - емкость; Яд и Ян -
соответственно активное сопротивление базовой области фотодиода и сопротивление нагрузки; ю - частота изменения фотосигнала; Zc = —--сопротивление емкости.
юС
В случае согласованной выходной нагрузки, т.е. при частотах сигнала, удовлетворяющих условию, из выражения (1) получаем следующее выражение для выходной мощности считываемого фотосигнала:
Рвых (ю) =
ив2ьК (Ю)_ 1ф2(ю)
I ф(ю) • Яд
Я
8(шС )2 Яд
2
(2)
где 1ф = ваФср£яч - фототок; е - заряд электрона; а = 0,3 - квантовый выход фотоносителей в кремнии; £яч = 3,5 • 3,9 мкм2 - площадь ячейки; Фср - среднее число квантов света, падающих за 1 с на единицу площади фотоячейки:
к2 1 к2
"Г' I л I Р ( к— /
(3)
Ф™ =
1
ср
(к 2 - к1)
к2 1 к2 {Ф(кй = -|
Р(к)^ Р(Х ср )
=— -^^йк =
Лк' Е (к) Е(к ср)
Здесь Е(к ) - энергия кванта света при средней длине волны Xср = 0,55 мкм .
Оценим мощность фотосигнала на выходе приповерхностного фотодиода второго и-р-перехода для Р(Хср) = 0,135 Вт/см2 при освещенности, создаваемой солнечным светом, а также с учетом того, что к диоду приложено напряжение обеднения V - Г2 +Фз = 2,85 В, Сп_р - 6,1*10-15 Ф для й = 0,2 мкм, Е(кор) = 3,6 *10-19 Дж. Тогда получим следующие значения величин:
к
Фср = 3,7 -1017 см-1- с-1, /ф = 2,4-10"9
А, РвЪх = 3,1-10"
Вт.
(4)
Для оценки мощности источников шума рассмотрим представленную на рис.2 эквивалентную шумовую схему фотодиода. Она содержит генератор тока теплового шума, подключенный к электрической емкости и-р-перехода. К объемному активному сопротивлению фотодиода подключены генераторы «дробового» шума, создаваемого флуктуация-ми светового потока, и генерационно-рекомбинационного шума.
Сначала оценим мощность «дробового» шума Рдроб, создаваемого в течение времени накопления тнак фотосигналом. Поскольку «дробовой» шум квантов света как статистический ансамбль подчиняется статистическому распределению Пуассона, средняя квадратичная флуктуация числа создаваемых за время тнак фотоносителей и выходная
мощность «дробового» шума (см. рис.2) определяются выражениями
N =
I Т
ф ^ нак
Р = 1
А дроб 2 ^
1ф Тнак Е ср )
(5)
Время накопления фотосигнала оценивается исходя из максимальной поверхностной концентрации фотоэлектронов, удерживаемых в «потенциальной яме» приповерхностного и-р-перехода:
еЩ2 8 яч
I,
(6)
ф
Подставляя в (6) Л0ф = 7,9 -10 см 2, находим тнак = 7200 нс. Тогда из выражений (5) получаем Рдроб = 8,4 -10"12 Вт.
В идеальном случае, при малых тепловых шумах, имеем следующее отношение сигнал/шум по мощности для фотосигнала, считываемого из приповерхностного и-р-перехода фотоячейки согласно выражениям (4) и (6):
8
3,1-10"9 Вт
N) 8,4 -10"12 Вт
359.
(7)
Оценим значения тепловых шумов и их вклад в отношение сигнал/шум и-р-перехода (фотодиода). Исходя из эквивалентной шумовой электрической схемы фотодиода (см. рис.2), запишем следующие выражения для выходных мощностей (на нагрузочном сопротивлении Рн) генерационно-рекомбинационного и теплового шумов фотодиода:
9
е
е
т
т =
нак
Ррек =1 (ЙА )= 2е1фЯДЛ/. (8)
2 \ рек 1д / 2е1 ф"д
Поскольку шт << 1, для тнак
» 10"8...10—9 с имеем
р = 1
тепл 2
Гт2 Л
чшС )
= /т2епл"д = 4кГОЯа - Л/ = 4кТ - Лf, (9)
где учтено, что /т2епл = 4kTG - Л/
Подставляя в (8) и (9) значения величин и учитывая, что Л/«106 Гц, 1ф» (V — V + ф3) » 2,85 В, Т = 300 К, получаем
Ррек = 1,0-10—12 Вт и Ртепл = 1,7-10"14 Вт. (10)
Полная выходная мощность шума на сопротивлении нагрузки равна сумме трех рассмотренных составляющих. Используя (6), (10), получаем
Рш = Рдроб + Ррек + Ртепл = (8,4 -10"12 +1,0 -10"12 + 0,017 -10"12 ) Вт « 9,4 -10"12 Вт.
Тогда отношение сигнал/шум с учетом всех рассмотренных составляющих шума равно:
8 ^ 3,1 -10 "9 Вт
N ) 9,4 -10"12 Вт
329.
Рассмотрим случай, когда освещенность фотоячейки Р = 0,0135 Вт/см2 . Тогда из соотношений (2), (3), (5), (6) получаем
Рвых = 3,1-10"10 Вт, Рдроб = 0,9 -10"12 Вт.
Поэтому для «идеального» фотодиода, без учета тепловых шумов, имеем
Г8 > 3,1-1°~10 Вт .350,
N ) 0,9-10"12 Вт
что соответствует рассчитанному значению в (7) при Р = 0,135 Вт - см . Однако при учете тепловых шумов имеем
Рш = Рдроб + Ррек + Ртепл = (0,9-10"12 +1,0-10"12 + 0,017-10"12 ) Вт «1,9-10"12 Вт.
Тогда значение отношения сигнал/шум по мощности равно:
8 ^ 3,1-10"10 Вт
N ) 1,9 -10"12 Вт
163 .
Таким образом, для регистрации очень малых световых потоков (освещенностей) трехдиодную фотоячейку необходимо охладить, например до температуры 80 К, чтобы существенно уменьшить влияние тепловых шумов на выходной сигнал и иметь достаточно высокое значение отношения сигнал/шум.
На рис.3 представлено распределение электрического потенциала в толще трехди-одной фотоячейки при T = 80 К (все конструктивные параметры и управляющие напряжения прежние). Можно отметить некоторое увеличение контактных разностей потенциалов и-р-переходов, что не влияет на соответствующие глубины «потенциальных ям», а следовательно не изменяет максимальных величин концентраций фотоносителей, накапливаемых в них.
Заключение. Установлено, что уменьшение рабочих температур многоканальных фоточувствительных фотоячеек позволяет существенно уменьшить влияние тепловых шумов на выходной сигнал и получить достаточно высокое значение отношения сигнал/шум. Увеличение контактной разности потенциалов р-и-переходов в исследованных фоточувствительных структурах не влияет на соответствующие глубины потенциальных ям и не изменяет максимальных величин концентрации фотоносителей, накапливаемых в них.
Проведенный анализ показал, что подобные расчеты можно выполнить для любого количества р—^-переходов многоканальной спектрозональной фотоячейки с учетом их толщины ОПЗ и приложенных управляющих напряжений.
Литература
1. Игнатьева Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Расчет конструктивных параметров и электрического потенциала трехдиодной вертикально интегрированной спектрально-селективной фотоячейки // Изв. вузов. Электроника. - 2008. - №1. - С. 35-42.
2. Игнатьева Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Анализ процессов фоторелаксации и фотоэлектрических характеристик трехдиодной вертикально интегрированной спектрально-селективной фотоячейки // Изв. вузов. Электроника. - 2008. - №3. - С. 38-44.
3. Ignatjeva E.A., Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Photoelectrical processes in spectroselectiv photosensitive сells based on three bulk integrated photodiodes // IEEE 2008 International Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials: Proc. 9-th Annual (Erlagor, Altai, July 1-5, 2008). -2008 - P. 62-68.
4. Dash W.C., Newman R. Intrinsic Optical Absorption in Single-Crystal Germanium and Silicon at 77 K and 300 K // Physical Rewiew. - 1955. - Vol. 99. - № 4. - Р. 1151 - 1155.
5. 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.
6. Khainovskii V.I., Uzdovskii V. V. Spectrozonal two-channel volumetric charge coupled device // Proc. 3rd MideuropeanSymp. Exhib. On Sem. Eng. and Techn. «SET-92» (Warsaw, Poland, Oct. 12-14, 1992). -P. 281.
7. Barsan R. Characteristics of the Overlaid Charge-Coupled Device // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1979. - Vol. ED-26. - №2. - P. 123-131.
8. Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Theoretical and experimental study of photoelectric characteristics of the two-channel bulk charge-coupled device // Optical Engineering, Vol. 33. - №7. - 1994. - P. 2352-2356.
т-1-1-r
0 1 2 3 4 .V, мкм
Рис.3. Распределение электрического потенциала в трехдиодной вертикальной фотоячейке при Т = 80 К: 1 - начальное стационарное состояние при У1 = У3 = +3,0 В; У2 = +1,0 В; 2 - равновесное состояние при У1 = У2 =У3 =0
9. 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, 13-14 July, 1995). -1995. - Vol. 2551. - P. 189-196.
10. 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. - P. 1678-1684.
11. 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. - P. 1763-1768.
12. 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. - P. 884-891.
13. 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. - P. 1839-1845.
14. Gradisnik V., Pavlovic M., Pivac B., Zulim I. Study of the Color Detection of a-Si:H by Transient Response in the Visible Range // IEEE Transactions on Electron Devices. - 2002. - Vol. 49. - №4. - P. 550-556.
15. 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. -Vol. 50. - №2. - 2003. - P. 359-364.
16. 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. -P. 178-183.
17. Volodin E.B., Ignatjeva E.A., Uzdovskii V. V. Simulation and Optimization of the CMOS Structure with Vertically Integrated Single-Contact Photodetectors with Separation of Colors in the Visible Spectral Region // Semiconductors. - 2008. - Vol. 42. - N 13. - P. 1527-1531.
18. Denisova E.A., Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Photoelectrical Processes in Spectroselective Photocells for Matrix Photo Receivers Based on Five Bulk Integrated p-n-Junctions // IEEE 2009 Intern. Conf. and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices Proceedings 10-th Annual (Erlagol, Altai, July 1-6, 2009). - 2009. - P. 391-394.
19. Ignatjeva E.A., Khainovskii V.I., Uzdovskii V.V. Photoelectrical Processes in The Five-Diodes Bulk Integrated Spectroselective Photocell // Semiconductors. - 2009. - Vol. 43. - № 13. - P. 1682-1686.
20. Denisova E.A., Khainovskii V.I., Uzdovskii V. V. Study of photoelectrical spectroselective multichannel photocells for photodetectors based on the bulk integrated p-n-junctions// Proc. of 11th Annual JEEE International Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials (Erlagol, Altai, June 30 - July 4, 2010). - 2010. -P. 484-498.
21. Денисова Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Фотоэлектрические процессы в многоканальных спектрозональных фотоячейках с вертикально интегрированными р-п-переходами для фотоэлектрических преобразователей изображения с разделением цветов // Изв. вузов. Электроника. -2011. - №3(89). - С. 35-39.
22. Denisova E.A., Uzdovskii V.V., Khainovski V.I. Multichannel Photocells for Image Converters with Color Separation // Semiconductors. - Vol. 45. - N. 13. - 2011. - Р. 1684-1688.
23. Денисова Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.В. Управление и считывание сигналов в фотоячейке с вертикально интегрированными р-п-переходами // Изв. вузов. Электроника. - 2011. - №5(91). -С. 48-53.
24. Денисова Е.А., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Влияние конструктивных параметров управляющих напряжений на фотоэлектрические характеристики фотоячейки с тремя вертикально интегрированными р-п-переходами // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - №4(96). - С. 18-23.
25. Денисова Е.А., Игнатьева Н.В., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Фотоприемное устройство // Патент на изобретение №2439747, приоритет от 14.10.2010, дата выдачи 10.01.2012.
26. Денисова Е.А., Игнатьева Н.В., Уздовский В.В., Хайновский В.И. Способ изготовления ячейки фотоприемного устройства // Патент на изобретение №2456708, приоритет от 29.03.2011, дата выдачи 20.06.2012.
Статья поступила 21 апреля 2016 г.
Денисова Елена Александровна - кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры общей физики МИЭТ, г. Москва, Россия. Область научных интересов: физика полупроводников, моделирование фотоэлектрических процессов в фотоприемных структурах.
Уздовский Валерий Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики МИЭТ, г. Москва, Россия. 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, г. Москва, Россия. Область научных интересов: физика полупроводников, структуры металл-диэлектрик-полупроводник, приборы с зарядовой связью.
