По докладу Обидина Г. И. на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение»

Фрагмент 3-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике"

Расширение области спектральной чувствительности и повышение квантового выхода фоточувствительных ПЗС (ФПЗС) матриц является одной из актуальных задач современного телевидения. При этом важным является продвижение как в инфракрасную (ИК) область спектра, так и в ультрафиолетовую (УФ) область. Работы в этом направлении дали положительные результаты. Появились ФПЗС - матрицы, изготовленные с использованием слоев высокоомного кремния оптимальной толщины. Такие ФПЗС матрицы, в которых эффективная генерация фотоэлектронов происходит в пределах практически всей толщины такого кремния, получили название Dеер Dерlеtiоn Dеviсе (ПЗС высокого сопротивления или высокоомный ПЗС). ФПЗС типа «Dеер depletion » являются разновидностью стандартных изделий, так называемой, е2v технологии на кремнии и изготовлены с целью увеличения квантовой эффективности в ближней ИК и УФ областях спектра излучения без потери пространственного разрешения. Ниже излагаются некоторые результаты, достигнутые в этом направлении за последние годы - ПЗС с фронтальным освещением (Frontside illuminated)

В видимой области спектра сигнальный заряд генерируется в значительной степени в пределах обедненной области, расположенной непосредственно под электродами, и поэтому существует высокая вероятность сохранения заряда именно в области освещенного пикселя. 

На рисунке - поглощение фотонов в:

а) ПЗС с фронтальным освещением; 

б) ПЗС с обратным освещением.

Это происходит потому, что электрическое поле в обедненной области нормально к поверхности кремния и обеспечивает перемещение заряда в соседнюю потенциальную яму по скрытому каналу переноса для последующего хранения. С ростом длины волны эффективная глубина проникновения излучения, а следовательно и глубина, на которой фотоны генерируют фотоэлектроны (сигнальный заряд) в слое кремния ПЗС структуры, увеличивается.

Поэтому при переходе в ИК область, т.е. при больших длинах волн значительная часть генерированного заряда возникает в областях, расположенных ниже обедненной области, где отсутствует электрическое поле. Здесь наблюдается пространственное растекание заряда, что затрудняет его локализацию в обедненной области. Поэтому вероятность и эффективность собирания заряда в освещенном пикселе уменьшается, что приводит к потере пространственного разрешения. Это обстоятельство приводит к увеличению размеров, так называемого «эффективного пиксела», что влечет за собой снижение функции передачи модуляции. Подобные эффекты наблюдаются и для коротковолнового излучения в УФ области спектра.

Чтобы минимизировать этот отрицательный эффект, большинство ПЗС- структур предложено формировать на «эпитаксиальном» кремнии. Такая структура представляет собой кремниевую подложку, легированную примесью тяжелого элемента, на которой сформирован слабо легированный поверхностный слой, параметры которого можно контролировать при изготовлении. Этот слой можно назвать активным эпитаксиальным слоем. Тяжелая примесь приводит к снижению диффузионной длины, т.е. уменьшает расстояние, на которое может диффундировать фотогенерированный заряд, прежде чем произойдет его рекомбинация. Это позволяет почти полностью избежать растекания фотоносителей из пикселя, в котором он возник, и заметно снизить потери сигнальных зарядов.

Кремниевая подложка при этом остается фактически «мертвой», и работа устройства зависит исключительно от свойств «активного» эпитаксиального слоя. Детальный анализ показывает, что разумный компромисс между величиной квантовой эффективности и пространственным разрешением достигается при толщинах, сопоставимых с размерами пиксела, и равных примерно 20-25 мкм для типичных ПЗС - структур, изготавливаемых по е2v технологии.

ПЗС с обратным освещением (Backside illuminated). В этом случае, полная толщина кремния уменьшается до величины менее 20 мкм, и длинноволновое излучение может пройти через этот слой практически без поглощения. На практике это означает, что, например, излучение с длинами волн более 800 нанометров не будет эффективно поглощаться.

Для многих применений ПЗС-матрица должна обладать высокой квантовой эффективностью в области ближнего ИК и УФ области спектра. Это может быть достигнуто, путем увеличения активной толщины, как описано ниже.

До сих пор не затрагивался вопрос о глубине обедненной области в кремнии под электродами. Вообще говоря, увеличение глубины обедненной области дает положительный эффект, хотя и существуют некоторые ограничения и в результате практически глубина обедненной области не превосходит приблизительно 10 мкм при полной толщине слоя порядка 20-25 мкм.

Установлено, что фактическая глубина обеднения пропорциональна отношению U/Nа, где U - потенциал канала переноса и Nа, - концентрация примеси в кремнии ниже скрытого канала, и вообще устанавливается диапазоном управляющих напряжений и не может быть выбрано произвольной величины, и концентрация Nа также не может быть уменьшена ниже некоторой минимальной величины, определяемой скоростью процесса диффузии примеси из подложки. Однако с помощью специальной технологии эпитаксиальный кремний может быть получен со значительно уменьшенными концентрациями примеси. В этом случае полная толщина слоя может быть увеличена до 50 мкм, а глубина обедненной области увеличена, по крайней мере, до 30 мкм. Структуры, изготовленные на таком материале высокого удельного сопротивления, носят название «структуры глубокого обеднения».

На основе кремния высокого сопротивления (dеер dерlеtiоп) изготавливаются ФПЗС как с фронтальным, так и обратным освещением. Те и другие дают положительный эффект в ближней ИК области спектра. ПЗС с обратным освещением имеют значительно более высокий квантовый выход как по сравнению с матрицами фронтального освещения, так и по сравнению с наиболее эффективными фотоэмиттерами, включая и фотоэмиттеры с отрицательным электронным сродством. Структура поглощающего слоя может быть оптимизирована как для работы с максимальным квантовым выходом в ближней ИК, так и в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Сопоставительная картина спектральных зависимостей квантовой эффективности для ПЗС матриц, с фронтальным освещением FI ССD, трех разновидностей ПЗС матриц, с обратным освещением ВI ССD (ИК), ВI ССD (видимый), ВI ССD (УФ), и фотокатодов с положительным и отрицательным сродством (GаАs)

На рисунке представлены спектральные характеристики квантового выходы трех разновидностей ФПЗС с обратным освещением, матрицы с фронтальным освещением, фотоэмиттеров с отрицательным и положительным электронным сродством.

Сопоставление этих характеристик позволяет сделать вывод, что как по квантовой эффективности, так и по ширине области спектральной чувствительности ФПЗС с обратным освещением находятся в настоящее время вне конкуренции по сравнению со всеми другими приемниками оптических изображений. 

"Черный ящик" в автомобиле: технологии западных автоконцернов "отрихтуют" водителей  - http://www.liveinternet.ru/users/albrs/post402370094/