Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения
Владельцы патента RU 2628738:
Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" (RU)
Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения содержит фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя, транзистор выборки строки и малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра. Технический результат - увеличение отношения сигнал/шум и, соответственно, повышение чувствительности ячейки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям.
Целью изобретения является повышение чувствительности фотоэлектрических преобразователей в приемниках изображения, в том числе приемниках, чувствительных к излучению в инфракрасной области спектра.
Известны ячейки полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, в которых в качестве фоточувствительного элемента используется фотодиод или МДП-конденсатор. (См., например, [1, 2]).
В таких элементах при обратном смещении фоточувствительного элемента под действием излучения генерируется фототок, интегрирование которого за время кадра обеспечивает накопление информационного заряда на поверхности полупроводника. Накопленный заряд может считываться сдвиговым регистром на ПЗС либо путем регистрации изменения поверхностного потенциала полупроводника КМОП-схемой.
Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению является ячейка фотоэлектрического преобразователя, описанная в патенте [3]. Приведенная в этом источнике ячейка фотоэлектрического преобразователя содержит фотодиод и четыре транзистора - транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя и транзистор выборки строки. Чувствительность такой ячейки ограничена шумом накопленных в фоточувствительном элементе носителей заряда Nac, среднеквадратичное значение которого определяется соотношением:
Максимальное значение 
и, соответственно, максимальное отношение сигнал/шум SNRmax фоточувствительной ячейки в составе приемника изображения ограничено емкостью входного транзистора истокового повторителя Cin, которая в свою очередь лимитируется площадью ячейки. Для достижения высокой разрешающей способности и увеличения числа пикселей необходимо уменьшать шаг их мультипликации и, соответственно, площадь ячеек, что сужает возможности создания мегапиксельных массивов с высокой чувствительностью. В многоэлементных ИК-фотоприемниках, работающих в условиях высокого фонового излучения, в силу больших значений фототока накопление заряда происходит за время, которое существенно (в сотни и более раз) меньше времени кадра. То есть возможности использования полного времени кадра для интегрирования заряда в такой ячейке и увеличения за счет этого ее чувствительности сильно ограничены.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание ячейки, обеспечивающей при накоплении заряда существенное увеличение отношения сигнал/шум и, соответственно, ее чувствительности.
Указанный результат достигается за счет того, что в известную ячейку, содержащую фотодиод и четыре транзистора, вводится малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
Фиг. 1 иллюстрирует известную ячейку фотоэлектрического преобразователя (прототип), содержащую фотодиод PD, транзистор Т1 считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор Т2 предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор Т3 истокового повторителя и транзистор Т4 выборки строки.
На фиг. 2 показана предлагаемая ячейка с малошумящим делителем заряда, встроенным в разрыв цепи между затвором транзистора Т3 истокового повторителя и точкой соединения (р-n переходом) транзистора считывания Т1 и транзистора предустановки Т2.
На фиг. 3 представлена ячейка с малошумящим делителем заряда в виде 4-х полевых электродов SG, TGI, DG, TG2 с зарядовой связью между смежными электродами, при этом площадь SSG электрода SG много больше площади SDG электрода DG:
где CDG и CSG их емкости, и они электрически соединены с шиной питания VDD. Электроды TG1 и TG2 формируются с минимально возможной при заданных технологических ограничениях площадью STG, но при этом должно выполняться условие 
где dins - толщина подзатворного диэлектрика. При реализации ячейки с технологическими нормами 0,35 мкм dins~10 нм и данное условие заведомо выполняется. Электрод TG1 соединен с затвором транзистора Т1, а электрод TG2 - с затвором транзистора Т2.
В качестве накопительной емкости Сас в предлагаемой ячейке выступает сумма емкостей 
значение которой выбирается равной емкости входного транзистора истокового повторителя Cin:
На фиг. 4 представлена ячейка с малошумящим делителем заряда в виде двух последовательно соединенных транзисторов Т5 и Т6 с затворами TG1 и TG2, при этом площадь SST диода ST, выполняющего функцию истока транзистора Т5, много больше площади SDT диода DT, совмещающего функции стока транзистора Т5 и истока транзистора Т6, то есть аналогично выражению (2):
На фиг. 5 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование ячеек, представленных на фиг. 3, 4.
Ячейка на фиг. 3 функционирует следующим образом.
1. В начале кадра в момент времени τ1 затворы транзисторов Т1 и Т2 и, соответственно, электроды TG1 и TG2 открыты, транзистор Т4 выборки строки - закрыт. Ячейка приходит в исходное состояние, при котором происходит обратное смещение фотодиода PD и приповерхностных областей полупроводниковой подложки под электродами SG, DG, а также перевод затвора транзистора Т3 и связанного и ним р-n перехода в плавающее состояние.
2. Затвор транзистора Т2 и электрод TG2 закрываются, при этом транзистор Т1 и электрод TG1 остаются открытыми. Происходит накопление фотоносителей под затворами SG и DG. По истечении времени накопления τас фотодиода PD (τас<<τƒ), где τƒ - время кадра, затвор транзистора Т1 и электрод TG1 закрываются. Малая часть накопленного заряда остается под электродом DG.
3. Открываются транзистор Т2 и электрод TG2. Большая часть заряда, оставшегося под электродом SG, сливается во внешнюю цепь, а малая часть заряда из-под электрода DG стекает за время τор<<τас в обратно смещенный р-n переход, связанный с затвором транзистора Т3, несколько снижая его потенциал.
4. Циклы деления и считывания заряда, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз, после чего открывается затвор транзистора Т4 и производится считывание накопленного заряда на столбцовую шину. После закрытия затвора транзистора Т4 начинается следующий кадр. Количество n циклов деления и считывания заряда ограничено накопительной способностью (емкостью Cin) входного транзистора истокового повторителя. С учетом (3) максимальное количество циклов nmax равно:
При величине емкости Cin, такой, что, 
количество циклов
можно повторять вплоть до значения 
Аналогичным образом функционирует ячейка, представленная на фиг. 4.
1. В начале кадра в момент времени τ1 затворы транзисторов Т1 и Т2 и, соответственно, электроды TG1 и TG2 открыты, транзистор Т4 выборки строки закрыт. Ячейка приходит в исходное состояние, при котором происходит обратное смещение фотодиода PD и диодов ST и DT, а также перевод затвора транзистора Т3 и связанного и ним р-n перехода в плавающее состояние.
2. Затвор транзистора Т2 и электрод TG2 закрываются, при этом транзистор Т1 и электрод TG1 остаются открытыми. Происходит накопление фотоносителей в области пространственного заряда (ОПЗ) диодов ST и DT. По истечении времени накопления τас фотодиода PD (τас<<τƒ), где τƒ - время кадра, затвор транзистора Т1 и электрод TG1 закрываются. Малая часть накопленного заряда остается в ОПЗ диода DT.
3. Открываются транзистор Т2 и электрод TG2. Большая часть заряда, оставшегося в ОПЗ диода ST, сливается во внешнюю цепь, а малая часть заряда из ОПЗ диода DT стекает за время τор<<τас в обратно смещенный р-n переход, связанный с затвором транзистора Т3, несколько снижая его потенциал.
4. Циклы деления и считывания заряда, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз, после чего открывается затвор транзистора Т4 и производится считывание накопленного заряда на столбцовую шину. После закрытия затвора транзистора Т4 начинается следующий кадр. Так же как и для ячейки на рис. 3 количество n циклов деления и считывания заряда ограничено накопительной способностью (емкостью Cin) входного транзистора истокового повторителя. При этом аналогично (4) максимальное количество циклов nmax равно:
При величине емкости Cin, такой, что 
количество циклов можно повторять вплоть до значения 
Существенное достоинство представленных на фиг. 3,4 ячеек состоит в том, они не требуют дополнительных шин разводки.
Заявляемая ячейка предназначена для использования в качестве высокочувствительного приемника излучения высокой интенсивности I, такой, что количество фотоносителей, которые можно накопить за время кадра τƒ при квантовом выходе у, намного превосходит предельное значение 
ограниченное емкостью Cin входного затвора истокового повторителя:
где SPD - площадь сбора фотоносителей, которая в современных гибридных ИК фотоприемниках на КРТ сравнима с площадью Sc всей ячейки.
Соответственно, максимальное отношение сигнал/шум определяется соотношением:
Так, в приемниках диапазона 8-14 мкм γI~1018 см-2с-1, что при τƒ~10-2 c и
Sc~10-5 см-2 дает γISc~τƒ11, тогда как 
, соответственно Klim~3⋅103. При малошумящем делении заряда, реализуемом в заявляемой ячейке, отношение сигнал/шум можно существенно повысить вплоть до предельной величины 
Малошумящий делитель заряда осуществляет выделение малой части Ns из носителей заряда Nac, которые образуются под действием излучения в фотодиоде PD в течение времени накопления τас, передачу указанной малой части в интегрирующий узел ячейки и сброс оставшейся большей части заряда во внешнюю цепь. В условиях, при которых время накопления фотодиода существенно меньше времени кадра приемника изображения τас<<τƒ, указанная процедура повторяется n раз в течение времени кадра.
За одну операцию деления на затвор входного транзистора Т3 добавляется в среднем, Ns=∈Nac носителей, а средний квадрат флуктуации этого числа равен
Здесь Т - температура, k - константа Больцмана, а V - падение напряжения на диэлектрике (ОПЗ) при накоплении на нем заряда.
Слагаемое 
в правой части формулы (8) - это средний квадрат флуктуации числа частиц на поверхности полупроводника под затвором DG (в ОПЗ диода DT), то есть шум геометрического деления заряда. С ростом накопленного заряда (с ростом V) этот шум не растет выше порога, отвечающего отклонению поверхностного потенциала на величину kT/е (при eV>>kT отношение Ns/eV не зависит от плотности накопленного заряда), поскольку при высокой плотности заряда (при eV>>kT) кулоновское отталкивание носителей становится сильным и препятствует росту их флуктуации. По этой причине при геометрическом делении заряда между двумя емкостями флуктуация числа свободных заряженных носителей в одной из емкостей оказывается значительно меньше (в 
раз) корня из числа носителей – величины, характерной для флуктуаций числа невзаимодействующих частиц, что и обеспечивает малошумящее деление заряда.
После n циклов на затворе входного транзистора истокового повторителя накопится в среднем Nac=nNs носителей. Средний квадрат флуктуации этого числа равен:
Отсюда вытекает следующее выражение для отношения сигнал/шум: 
Для максимального отношения сигнал/шум с учетом eV>>kT, и n∈=1, выражение (10) преобразуется к виду:
В традиционных схемах построения мультиплексоров с одной интегрирующей емкостью в ячейке (емкостью входного транзистора истокового повторителя) величина интегрирующей емкости ограничена размерами ячейки. С учетом того, что кроме входного транзистора в каждой ячейке размещается еще три транзистора и шины разводки, интегрирующая емкость занимает не более 30-40% ее площади. В предлагаемой ячейке встраивание делителя, в котором необходимо разместить еще одну зарядовую емкость (электрод PG или диод РТ), уменьшает ее интегрирующую способность по крайне мере в два раза. То есть в формулу (11) нужно добавить коэффициент 
Для многоэлементных ИК-фотоприемников на основе соединений кадмий-ртуть-теллур (КРТ) и антимонида индия, работающих при температуре жидкого азота (~77К), параметр 
при V = 3,3 В равен ~0,002. Подставив это значение в формулу (12), получим:
При проектировании ячейки площадью 30×30 мкм2 с технологическими нормами 0,35 мкм можно реализовать ∈~0,005, то есть довести количество циклов деления n до 200 раз, и таким образом улучшить отношение сигнал/шум и, соответственно, чувствительность по сравнению с прототипом до 8 раз. Переход на проектирование с нормами 0,18 мкм обеспечит еще большее повышение чувствительности.
Источники информации
1. Eric R. Fossum, CMOS Image Sensors: Electronic Camera-On-A-Chip, IEEE transactions on electron devices, vol. 44, no. 10, 1997.
2. А. Стемпковский, В. Шилин, КМОП-фотодиодные СБИС, Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2/2003.
3. Патент США №US 5,625,210.
1. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника, содержащая фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя и транзистор выборки строки, отличающаяся тем, что с целью повышения чувствительности в ячейку введен малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.
2. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника по п. 1, отличающаяся тем, что малошумящий делитель заряда выполнен в виде 4-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами.
3. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника по п. 1, отличающаяся тем, что малошумящий делитель заряда выполнен в виде двух последовательно соединенных МДП-транзисторов.
