×
25.08.2017
217.015.c284

Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение может быть использовано в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности и т.д. Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений содержит электрическую схему, состоящую из принимающего излучение фототранзистора и усиливающего транзистора, при этом коллекторы транзисторов подключены к шине питания, база фототранзистора через сопротивление фототранзистора в базовой цепи подключена к общей шине, эмиттер фототранзистора подсоединен к базе усиливающего транзистора, которая через сопротивление в базовой цепи усиливающего транзистора подсоединена к общей шине, его эмиттер подключен к выходной шине, которая через сопротивление нагрузки соединена с общей шиной, при этом конструкция содержит множество фототранзисторов, образующих 2-мерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов подключены к соответствующим разрядным шинам, которые соединены с базовыми областями строки усиливающих транзисторов соответствующими данными столбцами, при этом эмиттеры усиливающих транзисторов подсоединены к выходной шине. При этом конструкция интегральной схемы быстродействующего матричного приемника оптических излучений состоит из кремниевой полупроводниковой подложки n(p)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n (p)-слой, на поверхности которого расположен электрод шины питания, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, контактные окна, выходная шина, фототранзистор и усиливающий транзистор, области p(n)-типа проводимости сопротивлений, а на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы 2-мерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области p(n)-типа проводимости, при этом их площадь равна площади светового луча, в них соответственно расположены n (p)-области эмиттеров, на которых размещены их электроды, подсоединенные к соответствующим разрядным шинам столбцов, соединенных с электродами соответствующих баз строки усиливающих транзисторов, на эмиттерах которых расположены эмиттерные электроды, подсоединенные к выходной шине. Технический результат изобретений заключается в повышении быстродействия и чувствительности фотоприемников. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Настоящее изобретение относится к области фотоэлектрических приемников (ФЭП) излучений оптического диапазона для применений в современных системах дальнометрии, управления неподвижными и движущимися объектами, зондирования облачности, контроля рельефа местности, оптических линий связи и т.д.

Известны традиционные ФЭП реализованные на основе PIN-диодов, лавинопролетных диодов [1. D. Patti ot ab «Semiconductor particle detector and method for IIS Manufacture; 2. Скрылев П.С. и др., КМДП-ФОТОПРИЕМНИК. Патент РФ 2251760 от 05.08.2002], МОП-структур [3. К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1978 г., с. 12-14], биполярных фототранзисторов [4. Патент РФ №2133524 от 20.07.1999 г.].

Такие приборы имеют недостатки: PIN-диод не усиливает мощность излучения, лавинопролетный диод не обеспечивает линейной зависимости выходного сигнала от мощности излучения, МОП-структуры приборов с зарядовой связью имеют низкое быстродействие при выборке сигнала, в биполярном фототранзисторе имеется значительная паразитная емкость эмиттерного перехода, которая значительно снижает его быстродействие, при этом прибор имеет невысокий коэффициент усиления при низкой мощности оптического излучения, приходящейся на единицу светопоглощающей поверхности.

Общим недостатком вышеприведенных известных приборов является отсутствие максимального локального усиления сигнала при засветке малой части светопоглощающей поверхности, что приводит к уменьшению коэффициента усиления ФЭП и уменьшению его быстродействия. Этот недостаток в меньшей степени проявляется в схеме и конструкции составного биполярного фотодектора [5. US Patent 2011/0079708], который и выбран за прототип.

Электрическая схема (фиг. 1а) содержит принимающий излучение фотодиод, паразитный вертикальный биполярный n-p-n-транзистор, которые формируются в едином КМОП-процессе, при этом n-область фотодиода подключена к коллектору транзистора, а p-область - к области p-базы транзистора. Эмиттер фототранзистора подсоединен к общей шине.

Конструкция (фиг. 1б) его содержит кремниевую полупроводниковую подложку p-типа проводимости. На лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик, p-область фотодиода, n-область фотодиода, глубокий n-карман, который является областью коллектора паразитного транзистора. В нем сформирован n-карман, являющийся базой транзистора. В p-кармане сформирована область n-эмиттера.

Недостатком прототипа также является отсутствие локального усиления сигнала при попадании оптического излучения в малую часть фоточувствительной области прибора, что приводит к уменьшению коэффициента усиления фотоэлектрического приемника оптических излучений и уменьшению его быстродействия.

Целями изобретения является повышение быстродействия, коэффициента усиления мощности излучения и чувствительности фотоэлектрического приемника.

Цели достигаются за счет оригинальной электрической схемы и конструкции фотоприемника матричной интегральной схемы, содержащей функционально-интегрированные пиксельные биполярные структуры, имеющие общую коллекторную область.

Электрическая схема ФЭП (фиг. 2а) содержит множество фототранзисторов, образующих двумерную прямоугольную матрицу столбцов из фототранзисторов, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, при этом эмиттеры фототранзисторов одного столбца подключены через разрядные шины к базе усиливающего транзистора.

На фиг. 2б показана конструкция интегральной схемы, в которой на лицевой поверхности подложки расположено множество фототранзисторов, образующих столбцы двумерной матрицы, и множество усиливающих транзисторов, образующих строку матрицы, и имеющих общую коллекторную область, в которой расположены базовые области, при этом их площадь равна площади падающего оптического пучка. Эмиттеры фототранзисторов соединены с базами усиливающих транзисторов, а эмиттеры усиливающих транзисторов подключены к общей шине.

Электрическая схема предлагаемого ФЭП показана на фиг. 2а, она содержит двумерную матрицу биполярных фототранзисторов ТФ, коллекторы которых подсоединены к шине питания VDD, базы через сопротивления базовой цепи Rбф - к общей шине, эмиттеры ТФ подсоединены к базам усилительных транзисторов ТУ. Эмиттеры транзисторов ТУ подключены к выходной шине ВЫХ и через нагрузочное сопротивление RH к общей шине.

Конструкция и топология (вид сверху) интегральной схемы ФЭП показаны соответственно на фиг. 2б, в и содержат полупроводниковую подложку - 1 p (n)-типа проводимости, на обратной поверхности которой расположен n+(p+) слой - 2, на поверхности которого расположен электрод шины питания - 3, на лицевой поверхности пластины расположены диэлектрик - 4, контактные окна - 5, общая шина - 6, выходная шина - 7, разрядные шины - 8, области баз p (n)-типа фототранзистора - 9 и усиливающего транзистора - 10 соответственно, области n (p)-типа проводимости их эмиттеров - 11 и 12 соответственно, базовые электроды - 13 и 14, эмиттерные электроды - 15 и 16, поликремниевые резисторы в цепи фототранзистора - 17, усиливающего транзистора - 18 и нагрузочного транзистора - 19.

Технология изготовления

Согласно изобретению он может быть изготовлен по относительно простой технологии биполярных СБИС, показанной на фиг. 3, которая состоит в последовательности следующих операций.

1. На поверхности кремниевых пластин КЭФ-5000 ориентацией (100) выращивают оксид толщиной 0,6-0,8 мкм, удаляют оксид с обратной стороны и проводят диффузию фосфора при температуре Т=900°C в течение 1 часа, затем удаляют образовавшийся оксид и фосфорно-силикатное стекло и выращивают при температуре Т=900°C оксид толщиной 0,8 мкм на лицевой стороне пластины.

2. Осаждают поликремний на лицевую поверхность пластины и легируют его бором дозой D=10 мкКл с энергией Е=30 кэВ.

3. Путем проведения первой фотолитографии и ионного легирования фосфора дозой D=500 мкКл формируют поликремниевые резисторы.

4. В оксиде вскрывают окна для p-областей баз транзисторов и проводят ионное легирование бора дозой D=3 мкКл, затем окисляют поверхность кремния до толщины 0,3 мкм;

5. Вскрывают контактные окна к базам и эмиттерам транзисторов.

6. Подлегируют контакты к резисторам и базе ионным легированием бора дозой D=300 мкКл с энергией E=30 кэВ.

7. Формируют эмиттер ионным легированием мышьяка дозой D=1000 мкКл с энергией E=30 кэВ.

8. Проводят термический отжиг радиационных дефектов при температуре Т=850°C в течение 30 минут.

9. Осаждают алюминий и проводят фотолитографию разводки - соединений элементов интегральной схемы.

10. Проводят вжигание алюминия при температуре Т=475°C в течение 15 минут.

Принцип действия

Как видно из фиг. 2б, в, при примерно равном размере транзистора в пикселе матрицы происходит локальная засветка малой площади рабочей поверхности. При этом малая часть первичного тока поступает через сопротивление в базовой цепи фототранзистора Rбф в общую шину питания, вторая, большая часть, поступает в эмиттерный p-n-переход, где усиливается примерно в 50-100 раз и поступает в разрядную шину соответствующего столбца матрицы, создавая падение напряжения Uбу на сопротивлении базовой цепи Rбу усилительного транзистора, который, работая в режиме эмиттерного повторителя, усиливает сигнал по мощности и практически повторяет по напряжению на выходную шину ВЫХ, уменьшая на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер усиливающего транзистора. Важно отметить, что строка усилительных транзисторов матрицы работает в режиме логического "ИЛИ", при этом на выходной шине ВЫХ может быть сигнал, поступающий только с одного столбца.

Технические преимущества изобретения

Поскольку луч лазера поступает в маленький по площади транзистор матрицы, обеспечивается более высокий уровень инжекции, чем в одном большом фототранзисторе, равном по площади матричному массиву, за счет чего повышается коэффициент усиления.

Очевидно, что и темновой ток, поступающий на выход только с одного столбца (определяет порог чувствительности прибора) для матрицы будет в число столбцов N раз меньше, чем для «большого» транзистора. При этом достигается прирост быстродействия за счет уменьшения времен перезарядки суммарных емкостей база-эмиттер и база-коллектор.

Следует отметить, что с целью упрощения имеется возможность исключения из конструкции матрицы общей шины (фиг. 3), в этом случае ФЭП содержит всего два вывода и является двухполюсником.


Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 333 items.
10.05.2013
№216.012.3ed6

Ячейка памяти для быстродействующего эсппзу и способ ее программирования

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении быстродействия, надежности и интеграции энергонезависимых электрически программируемых постоянных запоминающих устройств (ЭСППЗУ). Ячейка памяти, содержащая n(р)-МОП-транзистор, конденсатор, адресную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481653
Дата охранного документа: 10.05.2013
27.09.2013
№216.012.70ae

Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494497
Дата охранного документа: 27.09.2013
20.12.2013
№216.012.8e79

Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Согласно изобретению предложено создание «гребенчатой» конструкции фотоэлектрического преобразователя, которая позволяет реализовать в его диодных ячейках максимально...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502156
Дата охранного документа: 20.12.2013
20.04.2014
№216.012.bb3a

Кремниевый многопереходный фотоэлектрический преобразователь с наклонной конструкцией и способ его изготовления

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Конструкция «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) согласно изобретению содержит диодные ячейки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513658
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.06.2014
№216.012.cbb2

Функционально-интегрированная ячейка фоточувствительной матрицы

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к фоточувствительным матрицам приемников оптических, рентгеновских излучений и изображений для применения в фотоаппаратах, видеокамерах, сотовых телефонах, медицинских рентгеновских панелях, а также в универсальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517917
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.08.2014
№216.012.e70c

Способ формирования высококачественных моп структур с поликремниевым затвором

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных мощных ДМОП транзисторов, КМОП интегральных схем, ПЗС-приборов. Способ включает операцию термического отжига МОП структур в температурном диапазоне от 600-850°С в электрическом поле...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524941
Дата охранного документа: 10.08.2014
27.10.2014
№216.013.0316

Способ низкотемпературного выращивания оксида кремния

Изобретение относится к области низкотемпературных технологий микро- и наноэлектроники и может быть использовано для создания радиационно-стойких интегральных схем и силовых полупроводниковых приборов. Оксид кремния получают путем нагрева кремния в атмосфере кислорода до температуры 250-400°C...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532188
Дата охранного документа: 27.10.2014
27.10.2014
№216.013.034b

Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. Целью изобретения является повышение быстродействия и технологичности координатного детектора, что особенно важно для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532241
Дата охранного документа: 27.10.2014
10.11.2014
№216.013.04e1

Детектор быстрых нейтронов

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучений. Детектор быстрых нейтронов содержит конвертор быстрых нейтронов и поверхностно-барьерный GaAs сенсор, регистрирующий протоны отдачи, при этом сенсор выполнен на подложке арсенида галлия n-типа проводимости, на рабочей поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532647
Дата охранного документа: 10.11.2014
10.01.2015
№216.013.1e01

Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539109
Дата охранного документа: 10.01.2015
Showing 1-10 of 193 items.
10.05.2013
№216.012.3ed6

Ячейка памяти для быстродействующего эсппзу и способ ее программирования

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении быстродействия, надежности и интеграции энергонезависимых электрически программируемых постоянных запоминающих устройств (ЭСППЗУ). Ячейка памяти, содержащая n(р)-МОП-транзистор, конденсатор, адресную...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481653
Дата охранного документа: 10.05.2013
27.09.2013
№216.012.70ae

Моп диодная ячейка монолитного детектора излучений

Изобретение относится к полупроводниковым координатным детекторам радиационных частиц. МОП диодная ячейка монолитного детектора излучений содержит МОП транзистор, шину высокого положительного (отрицательного) напряжения питания и выходную шину, при этом для повышения качества детектирования,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002494497
Дата охранного документа: 27.09.2013
20.12.2013
№216.012.8e79

Кремниевый фотоэлектрический преобразователь с гребенчатой конструкцией и способ его изготовления

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Согласно изобретению предложено создание «гребенчатой» конструкции фотоэлектрического преобразователя, которая позволяет реализовать в его диодных ячейках максимально...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502156
Дата охранного документа: 20.12.2013
20.04.2014
№216.012.bb3a

Кремниевый многопереходный фотоэлектрический преобразователь с наклонной конструкцией и способ его изготовления

Настоящее изобретение относится к области кремниевых многопереходных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечных батарей. Конструкция «наклонного» кремниевого монокристаллического многопереходного (МП) фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) согласно изобретению содержит диодные ячейки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513658
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.06.2014
№216.012.cbb2

Функционально-интегрированная ячейка фоточувствительной матрицы

Изобретение относится к области микроэлектроники, а более конкретно к фоточувствительным матрицам приемников оптических, рентгеновских излучений и изображений для применения в фотоаппаратах, видеокамерах, сотовых телефонах, медицинских рентгеновских панелях, а также в универсальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517917
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.08.2014
№216.012.e70c

Способ формирования высококачественных моп структур с поликремниевым затвором

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных мощных ДМОП транзисторов, КМОП интегральных схем, ПЗС-приборов. Способ включает операцию термического отжига МОП структур в температурном диапазоне от 600-850°С в электрическом поле...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524941
Дата охранного документа: 10.08.2014
27.10.2014
№216.013.0316

Способ низкотемпературного выращивания оксида кремния

Изобретение относится к области низкотемпературных технологий микро- и наноэлектроники и может быть использовано для создания радиационно-стойких интегральных схем и силовых полупроводниковых приборов. Оксид кремния получают путем нагрева кремния в атмосфере кислорода до температуры 250-400°C...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532188
Дата охранного документа: 27.10.2014
27.10.2014
№216.013.034b

Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц

Предлагаемое изобретение «Монолитный быстродействующий координатный детектор ионизирующих частиц» относится к полупроводниковым координатным детекторам ионизирующих частиц. Целью изобретения является повышение быстродействия и технологичности координатного детектора, что особенно важно для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532241
Дата охранного документа: 27.10.2014
10.11.2014
№216.013.04e1

Детектор быстрых нейтронов

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучений. Детектор быстрых нейтронов содержит конвертор быстрых нейтронов и поверхностно-барьерный GaAs сенсор, регистрирующий протоны отдачи, при этом сенсор выполнен на подложке арсенида галлия n-типа проводимости, на рабочей поверхности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532647
Дата охранного документа: 10.11.2014
10.01.2015
№216.013.1e01

Многопереходный кремниевый монокристаллический преобразователь оптических и радиационных излучений

Изобретение относится к области преобразователей энергии оптических и радиационных излучений в электрическую энергию (э.д.с). Согласно изобретению предложен кремниевый монокристаллический многопереходный фотоэлектрический преобразователь оптических и радиационных излучений, содержащий диодные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539109
Дата охранного документа: 10.01.2015
+ добавить свой РИД