Интегральная схема быстродействующего матричного приемника оптических излучений

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 Т_Ф, коллекторы которых подсоединены к шине питания V_DD, базы через сопротивления базовой цепи R_бф - к общей шине, эмиттеры Т_Ф подсоединены к базам усилительных транзисторов Т_У. Эмиттеры транзисторов Т_У подключены к выходной шине ВЫХ и через нагрузочное сопротивление R_H 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 R_бф 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 U_бу на сопротивлении базовой цепи R_бу 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.