Современные линейные фоточувствительные приборы с зарядовой связью – разработка и исследования

СОВРЕМЕННЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ – РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ

1, 1, 1, 2,

1, ёв1, 2, 1,

1

1», [e-mail]

2 и завод Микрон»

Одной из важнейших задач развития современных линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ЛФПЗС) является увеличение их разрешающей способности. Основной путь решения этой задачи — это увеличение числа элементов. Для увеличения частоты вывода информации при больших количествах элементов одного выходного регистра и одного выходного устройства недостаточно, поэтому в последнее время используются структуры с двумя выходными регистрами и одним или несколькими выходными устройствами. Использование нескольких выходных устройств вызывает неидентичность выходных сигналов, поэтому предпочтительно использовать структуру из двух считывающих регистров с одним общим выходным устройством, которая является оптимальным решением для плотноупакованных линейных ФПЗС. [1]

Ультравысокое разрешение достигается за счет увеличения числа элементов при сохранении размера фоточувствительного поля, т. е. за счет уменьшения шага и размера фоточувствительных элементов. В приборах с одним сдвиговым ПЗС-регистром, которые априори являются наиболее простыми, такое уменьшение ограничено возможностями технологической реализации регистра, т. к. требует при переходе, например, от шага элементов 13 мкм к шагу 6,5 мкм резкого снижения проектных норм в 2 раза (Рис. 1). Поэтому представляется целесообразным использование

Рис. 1. Схема ЛФПЗС с одним сдвиговым ПЗС-регистром и выходным устройством

билинейной схемы организации считывания, при которой происходит черезэлементная разборка информационных зарядовых пакетов по двум или более регистрам. Это позволяет снизить требования к плотности упаковки элементов ПЗС-регистра, т. е. сохранить проектные нормы.[2] Однако, двухрегистровая архитектура с двумя выходными устройствами, применённая в серии линейных ФПЗС13Л, ФПЗС14Л обладает таким существенным недостатком, как дисбаланс выходных сигналов вследствие неидентичности выходных устройств (Рис 2).

В силу вышесказанного оптимальным решением для плотноупакованных линейных ФПЗС представляется такая архитектура, при которой мультиплексирование информации осуществляется в зарядовой форме с помощью короткого однобитового, ПЗС-регистра, прилегающего к единственному выходному устройству и работающего вместе с ним с удвоенной частотой (Рис 3).

Как показывает практика, право на жизнь имеют как монолинейная с одним сдвиговым ПЗС-регистром так и билинейная архитектура приборов. Тенденция развития ЛФПЗ движется как бы по спирали в соответствии с диалектическим законом «отрицания отрицания» Гегеля от монолинейной к билинейной схеме и дальше опять к монолинейной по мере развития технологии. Когда проектная норма не позволяла изготовить ПЗС-регистр с шагом 13 мкм, обслуживающий фотообласть с таким же шагом ячеек, была применена билинейная схема с шагом элементов регистра 26 мкм. Позднее при уменьшении проектной нормы до 1,5 мкм стало возможным изготовить однорегистровый вариант линейного ПЗС с шагом элементов 13 мкм, но при этой проектной норме стало также возможным изготавливать фотодиоды с шагом 6,5 мкм. Однако, регистр с таким шагом воспроизвести

Рис. 2. Билинейная схема ЛФПЗС с двумя сдвиговыми ПЗС-регистрами и выходными

устройствами

Рис. 3. Билинейная схема ЛФПЗС с двумя сдвиговыми ПЗС-регистрами и одним выходным устройством

не представляется возможным, поэтому произошел возврат к билинейной схеме считывания, где шаг элементов регистра составляет 13 мкм. Была разработана серия линейных фоточувствительных приборов с зарядовой связью с существенно увеличенным числом элементов до 4096, 6144, 8192 и 12288.

Особенностью современных ЛФПЗС с сверхвысокой разрешающей способностью является их большой линейный размер (длина фотообласти ЛФПЗС на 12288 элементов составляет около 80 мм), что предъявляет повышенные требования к металлокерамическим основаниям, используемым для корпусирования данной серии ЛФПЗС. Поскольку ФПЗС в процессе эксплуатации является частью оптической системы, то существуют строгие требования по точной ориентации прибора и, соответственно, кристалла относительно оптической оси этой системы. В процессе разработки оснований была решена задача обеспечения высокой плоскостности и параллельности верхней и нижней поверхностей основания за счет их шлифования, причем допуск составил не более 2 мкм/мм длины основания по диагонали. При сборке ЛФПЗС такой длины в металлокерамическое основание необходимо применить метод прецизионной посадки кристалла в монтажный колодец для того, чтобы обеспечить необходимый допуск на ориентацию кристалла в корпусе. [3]

Отсутствие места при билинейной организации ЛФПЗС для размещения простого по конструкции и эффективно действующего планарного устройства антиблуминга, которым оснащены приборы с одним выходным регистром, диктует применение специальных мер для подавления растекания избыточного заряда. Использование для этой цели т. н. «вертикального устройства антиблуминга» по типу применяемого в матричных ФПЗС с межстрочным переносом сужает диапазон спектральной чувствительности, препятствуя сбору носителей заряда, генерированных ближним ИК-излучением, из областей полупроводниковой подложки, лежащих ниже области потенциального барьера в профилированном р-кармане между фотодиодом и стоком антиблуминга. Кроме того, такое решение значительно усложняет конструкцию и технологию изготовления фоточувствительной ячейки в силу её сугубо трёхмерной структуры, требующей специальных методов расчета. Применение планарной структуры для борьбы с блумингом является предпочтительным, хотя и требует некоторых конструктивных ухищрений при условии отсутствия возможности ужесточения проектной нормы.

Наиболее простым конструктивно-технологическим решением представляется размещение устройства антиблуминга между фотообластью и регистром с обеих сторон фотообласти, при котором как бы «нарушается» зарядовая связь, т. к. зарядовые пакеты от фотодиодов к битам регистра передаются не в объёме полупроводника, а с помощью металлической перемычки, соединяющей вспомогательные области n+-типа. Одна из этих областей имеет связь с фотодиодом (экстрактор), а другая – с регистром (инжектор) (Рис.4). На рис. 5 приведена структурная схема ПЗС-элемента с описанной конструкцией фотообласти с устройством антиблуминга, идеализированная для двумерного моделирования.

Рис. 4. Конструкция билинейного ЛФПЗС с устройством антиблуминга, размещенным между фотообластью и регистром

Указанные вспомогательные области и соединяющая их поверх электродной структуры полоска металлизации выполняют функцию фотозатвора. Недостатками конструкции являются, по-видимому, некоторая инерционность перетекания заряда и повышенный темновой сигнал. Более предпочтительным представляется размещение транзистора антиблуминга в каждой фотоячейке с сохранением фотозатвора и зарядовой связи между ним и фотодиодом (Рис. 6). Однако, такое решение предполагает существенное ужесточение требований к технологическим допускам, в особенности к точности совмещения для длинных ЛФПЗС. На рис. 7 и рис. 8 приведены структурные схемы фотоячейки с составным фотозатвором и с устройством антиблуминга, соответственно, идеализированными для двумерного моделирования.

Особенностями обоих вариантов ЛФПЗС являются использование для создания стоп-каналов фотообласти локального окисла кремния уменьшенной толщины с целью минимизации их площади и секционирование регистров по фазному управлению с целью облегчения работы внешних драйверов на ёмкостную нагрузку.

Рис. 5. Структура ПЗС-элемента с фотодиодным накопителем и планарным антиблумингом, идеализированная для двумерного моделирования

1 – HAD-фотодиод; 2 стоп-канал; 3 – затвор антиблуминга; 4 – сток антиблуминга; 5 – вертикальный двухфазный сдвиговый регистр; 6 – разрешающий затвор; 7 – диффузионная область;

8 – периферийная изоляция (LOCOS)

При разработке серии крупноформатных ЛФПЗС конструкция и технология изготовления сдвиговых ПЗС-регистров, а также выходного устройства были заимствованы у приборов предшествующей серии с монолинейной организацией считывания.

Рис. 6. Конструкция билинейного ЛФПЗС с устройством антиблуминга, размещенным в каждой ячейке фотообласти

Рис. 7. Поперечное сечение фотоячейки с составным фотозатвором, идеализированная для двумерного моделирования

1 – HAD-фотодиод; 2 - стоп-канал; 3 – фотозатвор; 4 – разрешающий затвор; приёмная фаза

ПЗС-регистра

Рис. 8. Поперечное сечение фотоячейки с индивидуальным устройством планарного антиблуминга, идеализированная для двумерного моделирования

1 – HAD-фотодиод; 2 - стоп-канал; 3 – затвор антиблуминга; 4 – сток антиблуминга

На рис. 9 и рис. 10 приведены результаты моделирования прибора, полученные с помощью программы визуализации G3DW после расчета по программе PO2000, при его работе в режиме электронного затвора. В этом режиме происходит сброс всего фотогенерированного заряда в сток антиблуминга. Рис. 9 представляет распределение потенциала в области под фотозатвором в режиме электронного затвора, при котором обеспечивается потенциальный барьер между областью хранения фотозатвора и n--областью HAD-диода. Рис. 10 иллюстрирует распределение потенциала в области затвора антиблуминга, при котором полностью отсутствует потенциальный барьер между n+-областью стока антиблуминга и n—областью HAD-диода.

Рис. 9. Распределение потенциалов в области под фотозатвором в режиме электронного затвора

Рис. 10. Распределение потенциалов в области под затвором антиблуминга в режиме электронного затвора

Конструкция фотозатвора позволяет обеспечить режим многосигнального накопления, т. е. в процессе считывания информации предыдущей строки накапливать полезный сигнал текущей строки в ждущем режиме, отсекая паразитный фон за счет встроенного потенциального барьера. Для этого на время приёма полезного импульсного оптического сигнала фотозатвор активируется для накопления, а затвор антиблуминга дезактивируется, предотвращая перетекание фотогенерированного заряда в сток антиблуминга. В отсутствие полезного сигнала, напротив, к фотозатвору прикладывается напряжение низкого уровня, а к затвору антиблуминга — напряжение высокого уровня, соответствующего режиму электронного затвора, что приводит к стеканию заряда, фотогенерированного фоновым излучением в сток антиблуминга. При этом за счет наличия объемного канала под фотозатвором накопленный ранее информационный заряд не рекомбинирует, а встроенный потенциальный барьер предотвращает его перетекание обратно в область HAD-диода.

Существующая проектная норма позволяет увеличить крутизну преобразования заряд-напряжение за счет снижения емкости электрометра, что требует с целью обеспечения быстродействия выходного устройства введения в использовавшийся ранее 2-х каскадный истоковый повторитель дополнительного каскада. Такая схема выходного устройства даёт возможность помимо увеличения чувствительности выходного устройства в целом повысить за счет роста крутизны транзисторов выходного каскада быстродействие прибора до 20 МГц и более. Однако, учитывая значительное рассеяние тепла мощным выходным каскадом, которое может приводить к заметному росту темнового сигнала и, особенно, его неравномерности, целесообразно применить схему 2,5-каскадного истокового повторителя с внешней по отношению к кристаллу нагрузкой (рис. 11).

Рис. 11. Принципиальная схема выходного устройства с 2,5-каскадным истоковым повторителем

Рис. 12. Эпюры напряжений в узлах схемы

На первом графике рисунка 12 (узел 1 на рис. 11) представлена эпюра напряжения, управляющего транзистором — восстановителем потенциала ПДО. Далее представлены эпюры напряжений на узле считывания (узел 2 на рис. 11), а также в выходных узлах 1-го, 2-го и 3-го каскадов (3, 4 и 5 узлов на рис. 11, соответственно). Из сравнения графиков 2 и 5 следует, что коэффициент передачи выходного устройство составляет 0,8 при максимальном напряжении выходного сигнала порядка 1,2 В. Наличие плоского участка на кривой выходного напряжения в последнем узле повторителя показывает, что достигается заданное быстродействие.

В таблице 1 приведены экспериментальные значения фотоэлектрических параметров для различных конструкций линейных ФПЗС.

Таблица 1

Фотоэлектрические параметры приборов с различной конструкцией

Наименование параметра	Буквенное обозначение	Значение параметров
Билинейная. 2 выхода	Монолинейная. 1 выход	Билинейная. 1 выход
Напряжение насыщения, В не менее	Uнас	2,0	1,0	0,8
Коэффициент передачи модуляции, % не менее	Км	80	80	70
Интегральная чувствительность, В/лк×с, не менее	Sv	2	5,3	5,3
Относительная неравномерность темнового сигнала, % не более	dUт	0,1	0,2	0,9
Относительная неравномерность выходного сигнала, % не более	dUс	±20	±15	±15

На рис. 13 и рис. 14 представлены частотно-контрастная и спектральная характеристики приборов, полученные экспериментальным путем.

Рис. 13. Частотно-контрастная характеристика на длине волны 850 нм

Рис. 14. Экспериментальные спектральные характеристики приборов

В дальнейшем, с целью увеличения количества элементов и уменьшение шага фоточувствительных элементов планируется перейти на метод фотокомпозиции. Этот метод характеризуется применением контактной и проекционной печати в рамках одного технологиче5ского процесса. Таким образом при переходе на проектную норму 1,2 мкм для проекционной печати возможно изготовить билинейные ФПЗС с числом элементов до 18432, шаг которых будет составлять 4,5 мкм на пластинах диаметром 100 мм. Использование метода фотокомпозиции на пластинах диаметром 150 мм позволит изготовить билинейные ФПЗС с числом элементов 24576 элементов с шагом 4,5 мкм, а учитывая проектную норму 0,8 мкм возможно изготовить ЛФПЗС с монолинейной организацией с числом элементов 18432 и с шагом элементов 6,5 мкм и ЛФПЗС с билинейной организацией с числом элементов 36864 с шагом элементов 3 мкм.

Все перечисленные конструкции ЛФПЗС могут быть использованы в качестве основы при разработки спектрозональных ЛФПЗС, содержащих на одном кристалле от двух и более параллельных линейных структур фотоэлементов. Кроме того, аналогично полученные результаты могут быть использованы при разработки ЛФПЗС с высокой апертурой, предназначенных для решения одномерных задач с высокой точностью и работы с полями спектральных разложений.

ЛИТЕРАТУРА

1.  , ёв, ёв, . Фоточувствительные приборы с зарядовой связью // Электронные компоненты - 2003, № 4. – С. 83-88.

2.  , , ёв, , ёв, , . Фоточувствительные приборы с зарядовой связью — современная элементная база фотонных систем // Электронная промышленность. – 2003 - № 2. – С. 166.

3.  , . «Современные линейные ФПЗС: архитектура, целевая функция, техническая реализация // тезисы докладов научной конференции «Твердотельная СВЧ электроника, приборы силовой электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС». – 2003.