фотоячейка с разделением цветов

Формула изобретения

1. Фотоячейка с разделением цветов, содержащая в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, отличающаяся тем, что первый p-n переход расположен частично в первой, второй и третьей отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй p-n переход расположен в приповерхностной части второй и третьей изолированных областей и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительных потенциалов на слоях поликристаллического кремния, расположенных на слое двуокиси кремния над второй и третьей областями, при этом в подложке под первой и второй областями на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания первого p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.

2. Фотоячейка с разделением цветов по п.1, отличающаяся тем, что под всеми изолированными областями содержится вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью.

3. Фотоячейка с разделением цветов по п.2, отличающаяся тем, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к производству интегральных многоэлементных фотоприемников, например, для однокристальных цифровых видеокамер и цифровой фотографии.

Известны фотоприемные ячейки для интегральных многоэлементных фотоприемников, выполненные в виде фотодиодов [1], предназначенных для считывания изображения во всем видимом диапазоне длин волн. Недостатком таких фотоприемных ячеек является невозможность выявления составляющих светового потока с различными длинами волн.

Известны также фотоприемные ячейки с разделением цветов падающего светового потока, содержащие в кремниевой подложке первого типа проводимости области, образующие p-n переходы для разделения носителей заряда, генерированных различными составляющими светового потока от элемента изображения, проецируемого на поверхность ячейки [2].

Данное техническое решение является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и выбирается в качестве прототипа.

Известные фотоприемные ячейки имеют следующие существенные недостатки: высокий уровень шумов цветоотделения, определяемый недостаточной эффективностью разделения фототоков, определяемых спектральным составом падающего излучения; технологическая несовместимость с CMOS элементами схем считывания.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение уровня шумов цветоотделения интегральных фотоприемников.

Другим техническим результатом настоящего изобетения является достижение технологической совместимости фотоприемных ячеек с CMOS считывания и другими схемами управления фотоприемниками.

Эти технические результаты достигнуты в фотоячейке с разделением цветов, содержащей в кремниевой подложке первый и второй p-n переходы, удаленные на различные расстояния от поверхности, покрытой слоем двуокиси кремния, в которой первый p-n переход расположен частично в первой, во второй и третьей отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй p-n переход расположен в приповерхностной части второй и третьей изолированных областей и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительных потенциалов на слоях поликристаллического кремния, расположенных на слое двуокиси кремния над второй и третьей областями, при этом в подложке под первой и второй областями на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания первого p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению заключаются в том, что первый p-n переход расположен частично в первой, во второй и третьей отдельных областях подложки, изолированных диэлектриком, второй p-n переход расположен в приповерхностной части второй и третьей изолированных областей и образован инверсионным слоем, который индуцируется при наличии положительных потенциалов на слоях поликристаллического кремния, расположенных на слое двуокиси кремния над второй и третьей областями, при этом в подложке под первой и второй областями на глубине от рабочей поверхности, превышающей глубину залегания первого p-n перехода, расположена дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, формирующая потенциальный барьер для неосновных носителей заряда, генерированных в области подложки, расположенной глубже барьера.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно второму варианту настоящего изобретения заключаются в том, что под всеми изолированными областями содержится вторая дополнительная область одинакового с подложкой типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью.

Отличия фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно третьему варианту настоящего изобретения заключаются в том, что между упомянутыми дополнительными областями расположена третья дополнительная область противоположного подложке типа проводимости.

Изобретение поясняется приведенным чертежом, на котором приведен схематический разрез фотоприемной ячейки согласно настоящему изобретению.

Фотоприемная ячейка согласно настоящему изобретению содержит кремниевую подложку 1, в которой сформирован первый p-n переход 2, расположенный частично в первой 3, частично во второй 4 и частично в третьей 5 отдельных областях подложки 1, изолированных диэлектриком 6, второй p-n переход 7, расположенный в приповерхностных частях второй 4 и третьей 5 изолированных областей, образованный инверсионным слоем 8, который индуцируется при наличии положительного потенциала на слое поликристаллического кремния 9, расположеном на слое двуокиси кремния 10 над ним. В структуре ячейки имеются омические контакты 11, 12, 13 и 14 к изолированным областям и подложке. Под первым p-n переходом 2 в первой 3 и второй 4 изолированных областях расположена дополнительная область 15 одинакового с подложкой типа проводимости, образующая потенциальный барьер для носителей заряда, генерированных в подложке 1. Во втором варианте фотоприемной ячейки с разделением цветов согласно настоящему изобретению под всеми изолированными областями 3, 4 и 5 содержится вторая дополнительная область 16 одинакового с подложкой 1 типа проводимости, расположенная под первой дополнительной областью 15. В качестве подложки ячейки может быть использован кремний, легированный бором с концентрацией порядка 10 ¹⁴...10¹⁵. Области 15 и 16 могут быть сформированы ионным легированием на глубине 1.45...1.5 m (максимум концентрации акцепторов) и 2.45...2.5 m соответственно. В третьем варианте воплощения изобретения между дополнительными областями 15 и 16 может быть расположена область 17 противоположного полложке 1 типа проводимости с концентрацией примесей порядка 10¹⁷.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению работает следующим образом. Световой поток от элемента изображения определенной цветности, содержащий сочетание излучений в синем, зеленом и красном поддиапазонах оптического спектра, проецируется на поверхность фотоприемной ячейки. Область 3 с частью p-n перехода 2 работает как обычный фотодиод и производит считывание изображения в сине-зеленом дипазоне длин волн. Поэтому ток через электроды 11 и 13 несет информацию о синей и зеленой составляющих. В областях 4 и 5 часть излучения, соответствующая ультрафиолетовому и синему поддиапазонам оптического спектра, полностью поглощается слоем 9 поликристаллического кремния с толщиной не менее 0,2 мкм. Остальные части излучения в световом потоке, соответствующие упомянутым поддиапазонам спектра, поглощаются в подложке 1 с образованием электронно-дырочных пар. При этом зеленая часть спектра генерирует электронно-дырочные пары в области подложки толщиной до 1,5-2 мкм. Наиболее глубоко в подложку до 7 мкм проникает красная и инфракрасная составляющие излучения, и, соответственно, эти составляющие генерируют электронно-дырочные пары в более протяженном слое. Определение в световом потоке долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра, производится путем определения количества генерированных ими электронно-дырочных пар. Для этой цели в приповерхностном слое подложки создан второй p-n переход 7, расположенный частично в области 4 и частично в области 5, образованный приповерхностным инверсионным слоем 8, который образуется под упомянутым слоем поликристаллического кремния 9 при приложении к нему напряжения положительной полярности через электроды 9. Электрические поля в этих частях 7 второго перехода разделяют электроны и дырки. В результате разделения носителей заряда формируются токи через омические контакты 12, 14 и 13, величины которых пропорциональны количеству генерированных электронно-дырочных пар и, следовательно, зависят от интенсивности долей излучений, соответствующих зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра.

В ток, соответствующий красной составляющей от светового потока, падающего на поверхность подложки, вносит вклад и инфракрасная составляющая. Это приводит к ошибкам распознавания спектрального состава потока в известных фотоячейках. Кроме того, независимо от светового потока, падающего на поверхность подложки, в глубине подложки генерируются электронно-дырочные пары, обусловленные шумами. Эти носители заряда в известных фотоприемных ячейках могут достигать p-n переходов и вносить определенный вклад в токи, по величинам которых определяются доли излучений в падающем световом потоке, соответствующие синему, зеленому и красному поддиапазонам оптического спектра. Таким образом, возникают ошибки цветоразделения в известных ячейках-аналогах и прототипе. В фотоприемной ячейке с разделением цветов согласно настоящему изобретению дополнительная область 16 того же типа проводимости, что и подложка, блокирует продвижение неосновных носителей заряда, генерированных инфракрасным излучением в области подложки, расположенной глубже потенциального энергетического барьера, формируемого в дополнительной области 16, расположенной, например, на глубине, равной 2,45 мкм. В результате в значительной мере подавляется инфракрасная компонента фототока и ослабляется влияние шумов на результаты цветоразделения. В свою очередь, дополнительная локальная р+область 15, расположенная, например, на глубине 1,45 мкм, препятствует коллектированию фотоэлектронов, генерированных в слоях 15 и 17 считывающими контактами 11 и 12, и направляет их исключительно на контактную область 14, где и осуществляется регистрация «красных» фотоэлектронов с общей площади всех трех секций фотоприемной ячейки. Блокирование носителей заряда, генерированных в областях подложки, расположенных вокруг ячейки, осуществляется посредством диэлектрической изоляции 6. Эта конструктивная деталь вносит дополнительный вклад в эффективность цветоразделения.

Фотоприемная ячейка с разделением цветов согласно настоящему изобретению может быть изготовлена по широко известной технологии CMOS типа (4) и найти широкое прменение при создании СБИС матричных фотоприемников, например, для однокристальных цифровых видеокамер и цифровой фотографии.

ЛИТЕРАТУРА

1. USA Patent №5668596, September 1997.

2. USA Patent №5965875, October 1999.

3. High Speed CMOS Logic Data Book. Texas Instruments Ltd., 1991.

4. LVT Low Voltage Technology. Texas Instruments Ltd., 1992.