CC BY
7МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.382.049.77
Влияние конструктивных параметров и управляющих напряжений на фотоэлектрические характеристики фотоячейки с тремя вертикально интегрированными
р-я-переходами
Е.А. Денисова, В.В. Уздовский, В.И. Хайновский Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Исследовано влияние управляющих напряжений на фотоэлектрические характеристики фотоячейки с тремя вертикально интегрированными ^-«-переходами. Приведены временные диаграммы управляющих импульсов напряжения для п- и ^-областей, а также их спектральные характеристики. Получены зависимости поверхностной концентрации фотоносителей, генерируемых в ОПЗ п- и ^-областей, от времени фотоэкспозиции для различных длин волн оптического излучения, а также зависимости фототоков в п- и ^-областях фоточувствительной фотоячейки с тремя вертикально интегрированными ^-«-переходами от освещенности поглощаемого оптического излучения.
Ключевые слова: фотоэлектрические характеристики фотоячейки, спектральные характеристики, поглощаемое оптическое излучение.
Технологии интегральных приемников изображения видимого диапазона в настоящее время продолжают развиваться, что связано с устойчивым спросом на многоспектральные детекторы для усовершенствованных систем приема изображения с улучшенными параметрами по распознаванию и идентификации цели. Спектрозональный матричный фотоприемник фирмы Боуеоп на основе трех вертикально интегрированных ^-«-переходов является одной из удачных практических реализаций указанного класса фотоприемных матриц, обладающих сравнительно малыми по площади фоточувствительными элементами разложения изображения на три оптических диапазона длин волн (синий, зеленый, красный) и достаточно высокой степенью их интеграции на одном кристалле [1]. По своим конструктивным параметрам и фотоэлектрическим характеристикам фотоприемник не уступает и даже превосходит известные спектрозональ-ные фотоэлектрические преобразователи изображений на основе приборов с зарядовой связью [2-6]. В последнее время особый интерес проявляется к фотоприемникам на основе многослойных структур, обеспечивающих регистрацию различных диапазонов видимого спектра. Так, в работах [7-12] рассматриваются многослойные фоточувствительные структуры на основе аморфного кремния.
Разработка спектрозональных матричных фотоприемников высокой степени интеграции на основе вертикально совмещенных диодных структур - актуальная задача.
© Е.А. Денисова, В.В. Уздовский, В.И. Хайновский, 2012
В настоящей работе проведено исследование влияния конструктивных параметров и управляющих импульсов напряжений на фотоэлектрические характеристики фотоячейки с тремя вертикально интегрированными р-и-переходами. Анализ 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 ISE TCAD швейцарской фирмы ISE.
Анализ и численный расчет процессов фоторелаксации и спектральных характеристик фоточувствительностей п- и ^-областей трехдиодной вертикально интегрированной фотоячейки. Для расчета спектральных характеристик фоточувствительностей р- и и-областей рассматриваемой структуры необходимо получить соответствующие уравнения, описывающие процессы фотогенерации электронов и дырок в них. При этом следует учитывать, что поглощение оптического излучения в каждой и- и р-области определяется соответствующей толщиной области пространственного заряда (ОПЗ) и коэффициентом поглощения излучения для рассматриваемой длины волны. Запишем уравнения для скоростей генерации фотоносителей: - в глубокой и-области:
^ = В. ех,
Ж
(
(а+Ь+с)
|а( х)йх
1 - ехр
( хр Л - |а(х)йх
(1)
в средней р-области:
йг
( (а+Ь+с) ^
= В • ехр
|а( х)йх
.(2)
( ,-(2)
1 - ехр
х(1) V хп
|а( х)йх
(2)
в приповерхностной и-области:
«= в
Л
( (а+Ь+с) ^
1 - ехр
|а( х)Лх
(3)
Р
Здесь В = —; Е(А) - энергия кванта света для рассматриваемой длины волны А;
Е
Р - заданная энергетическая освещенность поверхности фотоячейки, Вт/см ; а(х) - коэффициент поглощения оптического излучения в кремнии для длины волны А на глубине х, полученный экспериментально (справочные данные); х®, ~р, х^ определяются соотношениями, приведенными в работе [13]; а = 1,4 мкм, Ь = 0,4 мкм, с = 0,2 мкм.
Скорости генерации фотоносителей связаны с фототоками, считываемыми из и- и р-областей в фотодиодном режиме работы, соотношениями:
жо (
для глубокой и-области: 1(1) = (е£яч)
1«
П
йг
для р-области: Iр ф = (еБяч)•
р
йг '
для приповерхностной и-области: 1Пфф = (е£ яч )•
(2)
йг
(4)
(5)
(6)
х
—w
У
V
У
V
п
V
п
Рис.1. Временные диаграммы управляющих импульсов напряжений: У1 = У1(() - глубокая «-область; У2 = У2(0 - р-область; У3 = У3(/) - приповерхностная «-область.
Ушах = Узтах = +3,0 В, У2тах = +1,0 В
Уравнения (1)-(3) и соотношения (4)-(6), используемые в программе КБ ТСЛБ, позволяют провести численный эксперимент по определению величин фототоков, считываемых из фотоячейки, в зависимости от длины волны X поглощаемого оптического излучения при заданной постоянной внешней освещенности поверхности фотоячейки Р = 3 Вт/см2 и ее фоточувствительной площади £яч = 3 х 3 мкм2 . С этой целью на глубокую «-область, р-область и приповерхностную «-область структуры подавались соответственно напряжения у = у (0,
у = У2 () и у = У (Г) (рис.1). Освещение фотоячейки осуществлялось при установившихся максимальных уровнях напряжений в интервале времени Тф = 30 нс .
С помощью численного эксперимента на ЭВМ получены значения фототоков из
^ ^ 2 «- и р-областей фотоячейки при Р = 3 Вт/см в зависимости от длины волны X поглощаемого в структуре оптического излучения. На основе этих данных построены спектральные характеристики фоточувствительностей «- и р-областей фотоячейки, которые для общности восприятия представлены в относительных единицах (рис.2). За единицу масштаба принято значение максимального фототока в каждой «- и р-области. Из рис.2 следует, что максимальная фоточувствительность приповерхностной «-области наблюдается при X = 0,42 мкм, в р-области - при X = 0,5 мкм, в глубокой «-области - при X = 0,62 мкм, что соответствует выбранным толщинам «- и р-областей рассматриваемой кремниевой структуры.
Исходя из амплитудно-временных параметров трапецеидальной формы фототоков, рассчитаны значения возникающих поверхностных концентраций соответствующих фотоэлектронов и фотодырок, которые могут накапливаться в «- и р-областях структуры при работе в режиме «плавающего» электрического потенциала, когда они обедняются управляющими напряжениями, поданными через внешние «ключи» на основе кремниевых МОП-транзисторов схем управления. Рассчитанные зависимости поверхностных концентраций накапливаемых фотоно-
1.1. отн еп
сителеи от длительности времени освещения оптическим излучением Тф представлены на
рис.3. В интервале времени фотонакопления 0 < Тф < 75 нс проявляется линейный характер этих зависимостей, поскольку 75 нс является предельным временем фоторелаксации рассматриваемой фотоячейки. При больших временах фоторелаксации эти зависимости
„ , должны приобрести сублинейный характер,
Рис.2. Спектральные характеристики фоточув- „
ствительностей областей фотоячейки: 1 - при- переходящий к Ш^ЩШ^ вследствие пол-
поверхностная «+-область; 2 - средняя ного заполнения «- и р-областей соответст-
р-область; 3 - глубокая «-область вующими фотоносителями.
Рис.3. Зависимости поверхностной концентрации фотоносителей от времени фотоэкспозиции для различных длин волн А. оптического излучения (Р = 3 Вт/см ): а - фотоэлектроны, генерируемые в ОПЗ приповерхностной и-области; б - фотодырки, генерируемые в ОПЗ средней /^-области; в - фотоэлектроны, генерируемые в ОПЗ глубокой я-области. ( / - 0,4 мкм; 2 — 0,45 мкм; 3 — 0,5 мкм; 4 — 0,55 мкм; 5 - 0,6 мкм; б - 0,65 мкм; 7 — 0,7 мкм; 8 - 0,75 мкм; 9-0,8 мкм; 10- 0,83 мкм)
Также исследованы зависимости времени фоторелаксации п- и ^-областей фотоячейки от длины волны поглощаемого оптического излучения (Р = 3 Вт/см ), полученные на основе численного расчета максимальных поверхностных концентраций фотоносителей, заполняющих соответствующие «потенциальные ямы» за время фоторелаксации, с помощью соотношения
ТФ =■
п,р ф
^, р ф
Установлено, что в интервалах длин волн, соответствующих наибольшим фото-чувствительностям п- и ^-областей фотоячейки, времена фоторелаксации наименьшие и равны: для глубокой п-области - 75 нс; ^-области - 120 нс; приповерхностной п-области - 130 нс. Вне указанных диапазонов длин волн времена фоторелаксации п- и ^-областей существенно увеличиваются и достигают 1000 нс.
На рис.4 представлены зависимости фототоков, считанных из п- и ^-областей фотоячейки, от освещенности внешним погло-
Рис.4. Зависимости фототока фоточувствительной трехдиодной ячейки от освещенности поглощаемого оптического излучения: 1 - п-область; 2 - р-область; 3 - п+-область (X = 0,55 мкм, 5"яч = 3x3 мкм2)
щаемым оптическим излучением. Зависимости имеют линейный характер. Отметим, что освещенность P = 6 Вт/см2 является значительной по сравнению с освещенностью, создаваемой небом в солнечный день и равной P = 0,135 Вт/см [14]. Поэтому для P = 6 Вт/см2 времена фоторелаксации n- и р-областей в два раза меньше, чем рассчитанные для случая P = 3 Вт/см2 (см. рис.3), и соответственно равны: ~37; 60; 65 нс для глубокой n-области, р-области и приповерхностной n-области.
Обсуждение результатов. На основе математического анализа и численного моделирования на ЭВМ конструктивных параметров и вариации величин управляющих напряжений для трехдиодной вертикально интегрированной фотоячейки установлено следующее.
1. Концентрации легирующих примесей в последовательно расположенных n- и р-областях должны составлять: в глубокой n-области - N(1) =11016 см-3, в р-области N^=11017 см-3, в приповерхностной n-области N(2) =1-1018 см-3 при концентрации легирующей примеси в р-подложке N(1 =11015 см-3, а толщины указанных областей соответственно равны 1,4; 0,4; 0,2 мкм.
2. Оптимальные значения управляющих (обедняющих) напряжений, приложенных относительно подложки, равны: для n-областей V1 = V3 = +3 В; для р-области - V2 = + 1 В, что создает необходимый рельеф электрического потенциала в указанной р^-р^-структуре и накопление в соответствующих «потенциальных ямах» n- и р-областей фотоносителей с поверхностными концентрациями соответственно: в глу-
/1\ 11 _Л 1 Л _Л
бокой n-области - AQ^ = 4,36 -10 см ; в средней р-области - AQ ф = 1,12 -10 см ;
в приповерхностной n-области - AQ2) = 7,9 - 1011см "2 .
3. Общее время терморелаксации трехдиодной структуры приблизительно равно 12 мс и определяет номинальную частоту управления работой фотоячейки ~80-100 кГц.
В результате физического анализа записаны уравнения процессов фоторелаксации обедненных n- и р-областей диодов. Путем численного решения этих уравнений на ЭВМ получены:
- спектральные характеристики фоточувствительностей n- и р-областей структуры фотоячейки, которые разделены по длинам волн оптического диапазона так, что максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся соответственно на длины волн: для приповерхностной n-области - 0,42 мкм; для средней р-области - 0,5 мкм; для глубокой n-области - 0,62 мкм;
- времена фоторелаксации (заполнения «потенциальных ям» фотоносителями) при освещенности фотоячейки P = 3 Вт/см и длине волны света Х = 0,554 мкм соответственно равны: для глубокой n-области - 75 нс; для средней р-области - 120 нс; для приповерхностной n-области - 130 нс;
- временные зависимости по накоплению фотозарядов в «потенциальных ямах» n- и р-областей, которые имеют линейный характер вплоть до их допустимого предельного значения.
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. Khainovskii V.I., Uzdovskii V. V. Spectrozonal two-channel volumetric charge-coupled device // Proc. 3rd Mideuropean Symp. Exhib. on Sem. Eng. and Techn. «SET-92» (Warsaw, Poland, 12-14 Oct. 1992). - 1992. - P. 281.
3. Barsan R. Characteristics of the Overlaid Charge-Coupled Device // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1979. - Vol. ED-26, № 2. - P. 123-131.
4. 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.
5. 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.
6. 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. 16781684.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10.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, Apr. -P. 550-556.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. Зи С.М. Физика полупроводников - М.: Мир, 1984. - 655 с.
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.
