Фоточувствительный элемент

 

ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий р-п-р(п-р-п)-структуру, размещенный на диэлектрической подложке с электрическими контактами К р(п )-областями,о т л и ч .а jp щ .и йс я тем, что, с целью з равления величиной квантовой эффективности преобразователя, концентрация легирующих примесей и трлщины р(п)-областей равны, причем концентрация легирующей примеси в Г((р)-области меньше концентрации легирующей примеси вр(| -областях по крайней мере на порядок. S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

NUN

РЕСПУБЛИК

„.80„„1141952 (5))< Н 01 L 31 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ)9 (2) ) 3603289/24-25 (22) 15.04.83 (46) 30.11.85. Бюл; И 44 (7) ) Ордена Ленина.физико»технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) К.Ф.Берковская (53) 621.382 (088.8 ) (56) Патент США I 3448344; кл. 317-101, опублик. !966.

Патент США )Р 3748546, кл.- 3)7-235, опублик. 1969. (54 )(57 ) ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий р -n- р(ь-р- n )-структуру, размещенный на диэлектрической подложке с электрическими контактами

zp(n)"областями,о т л и ч .à ю щ.и йс я тем, что, с целью управления величиной квантовой эффективности преобразователя, концентрация легирующих примесей и толщины p(n }-областей равны, причем концентрация легирующей примеси в П(р) -области меньше концентрации легирующей примеси в р(и)-областях по крайней мере на порядок.

1,11419

Изобретение относится к полулро-. водниковой технике, а именно к фотон риемным устройств ам, ко торые могут быть использованы в системах кодирования изображений с целью их коррекции, устранения смаза, расфокусировки, влияния турбулентности среды, выделения на фоне помех, а также препарирования в устройствах распознавания образа. 10

Известны фоточувствительные элеме н ты — плана рные диффузионные фо тотран зисторы. Они исполь.зуютс я, например, в системах ввода изображений в вычислительной технике для дальней- 15 шей обработки. Недостатком их является то, что при большем динамическом диапазоне яркостей элементов обрабатываемого изображения разрешение падает, так как соседние с яркими 20 точками элементы заплывают

t1 II ,Наиболее близким к изобретению по технической сущности является фоточувствительный элемент, содержащий р-я-р (-р-n)-структуру, размещенный 25 на диэлектрической подложке с электрическими контактами к р(n)-областям.

Нецостатком такого фоточувствительного элемента является то, что З0 он не может быть использован одноФ временно и как фоторегистратор, и как модулятор светового излучения, I так как не может обеспечить оперативного управления квантовой эффек- 35 тивностью преобразования свет — электрический сигнал по знаку и абсолютной величине. Он обладает определенным, жестко заданным конструкцией и выбором физических параметров 40 слоев, коэффициентом преобразования света в электрический сигнал, и никакие оперативные перестройки этого параметра, а особенно направления . электрического сигнала, невоэмож- 45 ны. Элемент не обладает симметричной вольт-амперной характеристикой по отношению к регистрируемому свету., Цель изобретения — управление 50 величиной квантовой эффективности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в фоточувствительном элементе, содержащем р-и-p (n-р-и)-струк"55 туру, размещенную на диэлектрической подложке с электрическими контактами к p(n)-областям, концентрация

52 2 легирующих примесей и толщины р(n)областей равны,. причем концентрация легирующей примеси в n(p)-области меньше концентрации легирующей примеси в p(n)-областях по крайней мере на порядок.

В такой конструкции возможно управлением по питанию модулировать регистрируемый световой поток, так как предлагаемый фоточувствительный элемент обладает симметричной вольт-ам.перной характеристикой относительно воздействия света. Причем характер этого управления воспроизводится от элемента к элементу на одной пластине, от образца к образцу с высокой точностью. Управление квантовой эффективностью по питанию осуществляется в пределах от +1 до — 1 через нулевое значение, не зависит от интенсивности модулируемого светового потока, который может иметь достаточ- но большой динамический диапазон, не зависит от освещенности соседних элементов.

Симметричность вольт-амперной характеристики обеспечивается симметричностью конструкции элемента.

Обычно смещение в прототипе подается так, чтобы разделяющим носители был только первый р-п-переход, и, соответственно, никакая модуляция сигнала по знаку была невозможна.

В предложенной конструкции первый и второй легированные слои идентичны, нелегированный слой, выполняющий функции базового слоя, выполнен из исходного материала и в нем может быть обеспечено большое время жизни носителей, созданных светом; как первый, лицевой р-п-переход, так и второй, тыльный р-и-переход фоточувствительны. С изменением полярности питающего напряжения разделять носители, создачные светом„ будет то лицевой, то тыльный переход. Соответственно будет изменяться направление фототока, т.е. происходить модуляция фотоответа по знаку. Снижение питающего напряжения ниже критического приведет к уменьшению фотоответа по абсолютной величине. Таким образом, в устройстве расширяются функциональные возможности, совмещаются функции фотоприемника и модулятора излучения.

Помимо конструкции на характер вольт-амперной характеристики фо1141952 точувствительного элемента существенно влияют физические параметры всех трех слоев р-п-р(n-р-л)-структУРы: толЩины W p M p Wp(> У||, (1! il центрация носителей (проводимости ) 5 р =р — — р,n длины диффузионного смещения L, L ; коэффициенты диффу3HH Dh у Dp.1 подвижности p h р рр р коэф» фициент поглощения света aL = I (Л! скорость поверхностной рекомбинации 1О

/л °

Спектральные характеристики лицевого и тыльного р-и-переходов при любых физических параметрах трех слоев отличаются друг от друга, так f5 как поглощение экспоненциально падает с глубиной проникновения света.

Но, главным образом, из-за приповерхностной рекомбинации спектральная характеристика лицевого перехода в области коротких длин волн идет более круто, чем спектральная характеристика тыльного перехода. Таким обра- . зом, всегда имеется точка пересечения этих двух характеристик, она со- 25 ответствует такой длине волны Я, при которой оба р-.п-перехода с равной эффективностью разделяют неосновные носители заряда, созданные светом.

Поскольку фоточувствительный элемент предназначен для проведения оптической обработки изображений, и .она может производится при искусственном освещении, возможна работа в монохроматическом свете на определенной, заранее выбранной, длине волны

"a °

Условие симметричности вольт-амперной характеристики на определен- .

НОЙ длине волны Лц запишется В ви 4О де тыльм лицев 1 (1) за|| 1 е= эа. где I - токи запертых р-и-nepesan ходов. 45

Если равны запорные токи, то по уравнению Шокли равны и токи в .непосредственной близости к нулевому смещению в пределах -4UO < U. 4 + 4UO.

При любой освещенности переходов SO вольт-амперная характеристика с симметричностью запорных токов, включающих ток, созданный светом носителей, проходит через точку нулевого смещения.

ОРФ UIU

e -, е ц1!, свет ц1! е +) е ФФ1 темн сьет 3|||| | (Й где U — смещение на элементе

11 Т

= — — — — )

o g где k — постоянная Больцмана;

q — заряд электрона;

Т вЂ” температура К; — коэффициент (для кремниевых приборов г= 2 );

2КТ

U= — -=0,05 В. о <1

В пределах + 0,2 В квантовая эффективность преобразования света в электрический сигнал плавно изменяется с изменением питающего смещения на фоточувствительном элементе.

Что касается выбора физических параметров трех слоев из условия (11, то решение этой задачи в общем виде для конкретной !1 невозможно. Однако, если задаться рядом физических

-"-арййетров таких.как: h, р. Lh, Lp р„, p.p, Р„, Dp, положить известными Ы с((!|1, В, то можно на ЭЦВМ рассчитать, например, Wh = Wh(/!) и ИР

= w p (h) (1).

Расчеты осложнены тем обстоятельством, что WР и И|| не являются независимыми величинами W „= W Р (W „) °

Выбор W H W также зависит от конh центрации неосновных носителей в рслоях и и в п-нелегированном слое

P р|

Для расчетов положили . no

1200 см -В" С"; P = 250 см В»

| С-; Ь„= 0,04 cH, Lp вв 0,3 см;

D =31 см с "- Dp 6 5 см С1

1 см ° с . Wp/11„для сокращения объема вычислений придавались следующие первые значения:

3/2009 3/1009 3/Зоу 3/15 20/200 °

20/100, 20/30, 20/15р 50/200 ° 50/100

50/30, 70/15, 100/15.

Подбирались такие пары W„ и К1,, для которых q.5 1 ° я = I >цд: /I >ц„°.

Полученные результаты приведены в таблице.. 1141952

1 7 1, мкм и„, мкм

200 0,82

100 0,97

30 0,97

0,63 2000

700

0,81

О,92 90

50.Зависимость я от Ъ р для

= 0,9 мкм и 0,8 мкм слабая, т.е. И может быть выбрана 20+10 мкм и 50 +

+ I0 мкм, а зависимость q от W< для

В = О,6 мкм — более сильная, так что У может быть выбрана 3+1 мкм.

Следует отметить, что для Я =

= 0,6 мкм полная симметричность в отсутствии рекомбинации носителей на поверхности вообще недостижима. Для длинноволнового света - до25 стижима. При )1= 0,9 мкм мала абсолютная эффективность преобразования.. Однако для целей кодирования изображения полученные значения q вполне удовлетворительны. Они могут

30 быть откорректированы дополнительно при необходимости выбором питающих напряжений. Характер вольтамперной зависимости (стабильность точки О, в частности) изменяется только при значениях 10

Расчета для 7) = 0,9 мкм должны производиться при разных толщинах

У р1, W(1 двух легированных р-слоев, Если второй легированный слой сделать толстым (W (200, 300 мкм),41, то на симметричность структуры, у которой W(i1 = 50 мкм, à W 30 мкм,. это существенно не повлияет, а аб« солютная эффективность преобразования света существенно возрастет.

Устройство работает следующим образом.

Пусть обрабатывается точка изображения с координатами х, у. Нужно умножить интенсивность освещения, соответствующую этой точке, на весовой коэффициент F ) x, у), который для определенности положим равным

-0,5. По формуле (2) либо графически. по вольт-амперной характеристике выбираем соответствующее напряжение смещения на фоточувствительном элементе. Это У(1 -0,8 04. Положим отрицательным смещение, когда на лицевом переходе "-", а на тыпьном"+". Через контакты подаем требуемое смещение.

При освещении ° элемента интенсивностью S (x, у) происходят поглощение фотонов в р- и и.— областях иобразование электроннодырочных пар, число которых пропорционально $ (х,у), Эти пары в данном случае разделяют" ся лицевым переходом, а ток, текущий через контакты, имеет отрицательное направление. Величина этого тока:

I(1= а Я (х,y)F((х,у) .

В следующий момент нужно умножить

S (х,у) на весовой коэффициент

З (х,у) = 0,5, На фоточувствительный элемент подается смещение U®=

= + 0,8 U . В цепи сигнала течет ток.

1 = g $ (х,у) Р1 х,у).

Таким образом производится оперативное управление квантовой эффективностью преобразования света в электрический сигнал по знаку и абсолютной величине, что эквивалентно весовому кодированию иэображения.

Следует отметить, что точность и воспроизводимость такого кодирования определяется, в первую очередь, стабильностью и воспроизводимостью вольт-амперной характеристики элемента. Величины, входящие в выражение о (2), это - k; Т, с1. и Ттсмн ° сеет °

Известно, что разбросы в чувствительности элементов интегральных схем к воздействию излучения могут составлять единицы %. Стабильность же вольтамперной характеристики во времени определяется стабильностью температуры.

Число сиитезируемых весовых коэффициентов или динамический диапазон

ВНИИПИ Заказ 7043/4 Тираж 678 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óèãîðoä, ул.Проектная, 4

7 .11419 кодирования определяется отношением сигнал-шум где 41»=+ 4U — диапазон изменения напряжения смещения на элементе,. в котором изменяется квантовая эффективность, à Uù — напряжение, создаваемое дробовыми шумами тока, те- »О кущего через элемент,. являющегося суммой темновой.и световой составляющих (2 ». Таким образом, при очень больших освещенностях дробность кодирования должна быть меньше. 15

Если считать, что регистрация сигналов 1 мВ реальна, то кодирование

20"ю градациями сигналов 10

10 Вт/элемент обеспечено.

Фоточувствительный элемент может 20 быть выполнен на основе монокристаллического кремния п- или р-типа проводимости, ориентированный в плоскости (100 ). После рельефного травления с тыльной стороны пластины прово- 5 дится диффузия В на глубину W »

Затем рельефная поверхность покрывается пиролитическим окислом и сло- ем поликремння. Затем производится шлифовка со стороны лицевого слоя З0 до вскрытия карманов. С ли-, цевой стороны формируются диффузионный слой, эпитаксиальная рамка, контакты. В качестве изолирующей рамки используется окисел кремния ли-35

6о комбинации окисел кремния — нитрид кремния; толщина рамки 0,2— . 1,0 мкм. Рисунок формируют методом фотолитографии. На рабочей поверхности монокристалла с лицевой стороны 40 в изолирующей маски вскрывают окно над легированным слоем; ширина окна заведомо больше W <, чтобы обес(й» печить электрический контакт составных элементов слоя независимо от 45 глубины вскрытия карманов. Далее методом локальной эпитаксии (концентрация примеси  — 5.10 "1 ат/cM3 ) создают эпитаксиальную рамку, частично наплывающую поверх изолирующей рам- 50 ки и диэлектрического слоя, выходящего на лицевую поверхность, шири52 ной порядка десятков мкм, с тем, чтобы иметь возможность на ней расположить контакт.

Была изготовлена мозаика из фоточувствительных элементов по данному изобретению .размерностью 16 х 16 элем ментов; размеры каждого элемента

100 х 100 .мкм . Толщина исходного монокристалла 0 -типа 600 мкм; n -"

1 0 " см . Толщины Ч, W„ Úûáèðàлись под i1 = 0,6 мкм, т.е. диффузия

В проводилась на глубину 3 мкм; диэлектрическая изоляция с тыльной стороны — слоем окисла кремния

0,3 мкм. Фоточувствительный элемент позволял оперативно управлять квантовой эффективностью преобразования света в электрический сигнал: по закону "+" и "-", а также по абсолют" ной величине синтезировалось 20 градаций при диапазоне модулируемого светового потока 10 .

На мозаике фоточувствительных элементов синтезировалась матрица весовых коэффициентов 16 х 16 - двуполярный импульсный отклик для дифференцирования, оконтуривания изображения. Достигнуто повышение распознаваемости изображения на фоне шумов.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить функциональные воэможности фоточувствительного элемента sa счет оперативного управления квантовой эффективностью преобразования свет - электрический сигнал по знаку и абсолютной величине. В конечном итоге при . использовании такого элемента в системах предварительной обработки -изображения в оптическом канале удается достигнуть снижения времени обработки, повышения разрешения, улучшения отношения сигнал - шум, устранить смену контраста отдельных деталей при расфокусировке, смазе и других искажениях изображений. Поскольку возможно оперативно перестраивать весовые коэффициенты, могут быть реализованы адаптивные системы обработки изображений.