Патент на изобретение №2333570

(54) ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ (ОДНОФОТОННЫЙ) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЛАВИННЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в высокочувствительных видеокамерах и фотоаппаратах, в частности для регистрации трехмерных изображений. Фотоприемник содержит лавинный фотодиод, выполненный на кремниевой подложке первого типа проводимости, включающий соединенную с первым контактом фотодиода первую приповерхностную область второго типа проводимости, расположенные под ней область генерации и умножения фототока и область его, окруженную охранной областью, приповерхностную область первого типа проводимости, соединенную со вторым контактом фотодиода, интегральную схему считывания, выполненную на той же подложке и соединенную со вторым контактом фотодиода общим электродом, а входом с первым контактом фотодиода. Охранная область выполнена в виде участка карманов второго типа проводимости, входящих в состав интегральной схемы считывания, а область генерации и умножения фототока выполнена на участке подложки, отделенном заглубленной областью первого типа проводимости, вход интегральной схемы считывания соединен с первым электродом фотодиода через разделительный конденсатор, образованный двумя электродами, принадлежащими двум слоям металлических межсоединений интегральной схемы считывания с разделительным межслойным диэлектриком, и через дополнительную схему формирования сигнала, включающую два МОП транзистора с каналами первого типа проводимости, причем первый транзистор соединен стоком со входом схемы считывания, затвором и истоком с первым электродом источника питания интегральной схемы считывания, второй транзистор соединен стоком со входом схемы считывания, затвором со вторым электродом источника питания, истоком – с разделительным конденсатором через резистор. Изобретение обеспечивает улучшение однородности параметров лавинных фотодиодов в многоэлементной ИС фотоприемника и повышение его надежности. 2 ил.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в высокочувствительных видеокамерах и фотоаппаратах, в частности для регистрации трехмерных изображений.

Известны однофотонные интегральные лавинные фотоприемники, описанные в литературе: 1) IEEE Journal of Solid State Circuits, v.40, 9, sept. 2005, Cristiano Niclass, “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche Diodes”, 2) Proceedings of ESSCIRC, Grenoble, France, 2005, D.Stoppa, “A Single-Photon-Avalanche-Diode 3D Imager”.

В обоих источниках описываются устройства, содержащие лавинный фотодиод с интегральной схемой считывания, выполненные на общей подложке.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство, описанное в 1) IEEE Journal of Solid State Circuits, v.40, 9, sept. 2005, Cristiano Niclass, “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche Diodes”.

Указанное устройство содержит лавинный фотодиод, выполненный на кремниевой подложке первого типа проводимости, включающий соединенную с первым контактом фотодиода первую приповерхностную область второго типа проводимости, расположенную под ней область генерации и умножения фототока, окруженные охранной областью, приповерхностную область первого типа проводимости, соединенную со вторым контактом фотодиода, интегральную схему считывания, выполненную на той же подложке и соединенную со вторым контактом фотодиода общим электродом, а входом – с первым контактом фотодиода.

Однако известные устройства имеют недостатки: большую неоднородность параметров фотодиодов в многоэлементной интегральной схеме фотоприемника, низкую надежность из-за возможности разрушения (пробоя) затворов интегральной схемы считывания при изменении напряжения на фотодиодах.

Неоднородность параметров фотодиодов в фотоприемнике вызвана сложной конструкцией области размножения фотодиода, расположенной в стандартном кармане ИС с неоднородным профилем легирования. Возможность разрушения затворов интегральной схемы считывания связана с тем, что фотодиод непосредственно соединен с затворами схемы считывания. Через это соединение высокое напряжение смещения фотодиода может попасть на затворы схем считывания и разрушить их.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение однородности параметров лавинных фотодиодов в многоэлементной ИС фотоприемника и повышение его надежности.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве фотоприемника, содержащем лавинный фотодиод, выполненный на кремниевой подложке первого типа проводимости, включающий соединенную с первым контактом фотодиода первую приповерхностную область второго типа проводимости, расположенную под ней область генерации и умножения фототока, окруженные охранной областью, приповерхностную область первого типа проводимости, соединенную со вторым контактом фотодиода, интегральную схему считывания, выполненную на той же подложке и соединенную со вторым контактом фотодиода общим электродом, а входом – с первым контактом фотодиода, предложено:

– охранную область выполнить в виде участка карманов второго типа проводимости, входящих в состав интегральной схемы считывания, а область генерации и умножения фототока выполнить на участке подложки, отделенном заглубленной областью первого типа проводимости,

– вход интегральной схемы считывания соединить с первым электродом фотодиода через разделительный конденсатор, образованный двумя электродами, принадлежащими двум слоям металлических межсоединений интегральной схемы считывания с разделительным межслойным диэлектриком, и через дополнительную схему формирования сигнала, включающую два МОП транзистора с каналами первого типа проводимости, причем первый транзистор соединить стоком со входом схемы считывания, затвором и истоком с первым электродом источника питания интегральной схемы считывания, второй транзистор соединить стоком со входом схемы считывания, затвором со вторым электродом источника питания, истоком – с разделительным конденсатором через резистор.

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше новых признаков изобретения.

Улучшение однородности достигается за счет того, что области умножения расположены на участках равномерно и слабо легированной подложки с точно фиксированными размерами, задаваемыми охранными и заглубленными областями.

Увеличение надежности достигается за счет соединения фотодиода со схемой считывания через разделительный конденсатор, образованный двумя электродами, принадлежащими двум слоям металлических межсоединений интегральной схемы считывания с разделительным межслойным диэлектриком, который в стандартном технологическом процессе имеет пробивное напряжение, большее, чем напряжение смещения фотодиода.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих устройство, реализующее заявляемое изобретение:

Фиг.1 иллюстрирует известное устройство (прототип):

Фиг.1а – конструкцию фотодиода.

Фиг.1б – электрическую схему фотодиода со схемой считывания.

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство:

Фиг.2а – конструкцию фотодиода.

Фиг.2б – электрическую схему фотодиода со схемой считывания.

Высокочувствительный (однофотонный) интегральный лавинный фотоприемник состоит (см. фиг.2) из лавинного фотодиода 1, выполненного на кремниевой подложке 2 первого типа проводимости, включающего соединенную с первым контактом 3 фотодиода первую приповерхностную область 4 второго типа проводимости, расположенную под ней область 5 генерации и умножения фототока, окруженные охранной областью 6, приповерхностную область первого типа проводимости 7, соединенную со вторым контактом 8 фотодиода, интегральную схему считывания 9, выполненную на той же подложке и соединенную со вторым контактом фотодиода общим электродом 10, а входом 11 с первым контактом 3 фотодиода, охранная область 6 выполнена в виде участка карманов второго типа проводимости, входящих в состав интегральной схемы считывания, а область умножения 5 выполнена на участке подложки, отделенном заглубленной областью первого типа проводимости 12, вход 11 интегральной схемы считывания 9 соединен с первым электродом 3 фотодиода через разделительный конденсатор 13, образованный двумя электродами, принадлежащими двум слоям металлических межсоединений интегральной схемы считывания с разделительным межслойным диэлектриком, и через дополнительную схему формирования сигнала 14, включающую два МОП транзистора 15 и 16 с каналами первого типа проводимости, причем первый транзистор 15 соединен стоком со входом 11 схемы считывания 9, затвором и истоком с первым электродом источника питания интегральной схемы считывания, второй транзистор 16 соединен стоком со входом 11 схемы считывания, затвором со вторым электродом источника питания, истоком – с разделительным конденсатором 13 через резистор 17.

Фотоприемник работает следующим образом.

Каждый фотон принимаемого излучения, попадая в область генерации и умножения 5 носителей фототока, вызывает их лавину, которая, разделяясь под действием электрического поля на дырки и электроны, создает на электроде 3 импульс напряжения отрицательной полярности. Этот импульс отделяется от постоянного потенциала смещения фотодиода конденсатором 13 и поступает на схему 14 формирования сигнала. Транзистор 15, работая в подпороговом режиме, задает на входе 11 схемы считывания 9 (КМОП инвертор) темновой уровень логической единицы (vdd). Лавинный отрицательный импульс ограничивается по амплитуде уровнем логического нуля (vgnd) транзистором 16 с резистором в цепи истока. Схема считывания 9 формирует на выходе стандартный цифровой КМОП сигнал, логическая единица которого соответствует фотону принимаемого излучения.

Настоящее описание изобретения, в т.ч. состава и работы устройства, включая предлагаемый вариант его исполнения, предполагает его дальнейшее возможное совершенствование специалистами и не содержит каких-либо ограничений в части реализации. Все притязания сформулированы исключительно в формуле изобретения.

Формула изобретения

Высокочувствительный (однофотонный) интегральный лавинный фотоприемник, содержащий лавинный фотодиод, выполненный на кремниевой подложке первого типа проводимости, включающий соединенную с первым контактом фотодиода первую приповерхностную область второго типа проводимости, расположенную под ней область генерации фототока и область его умножения, окруженные охранной областью, приповерхностную область первого типа проводимости, соединенную со вторым контактом фотодиода, интегральную схему считывания, выполненную на той же подложке и соединенную со вторым контактом фотодиода общим электродом, а входом с первым контактом фотодиода, отличающийся тем, что охранная область выполнена в виде участка карманов второго типа проводимости, входящих в состав интегральной схемы считывания, а область размножения выполнена на участке подложки, отделенном заглубленной областью первого типа проводимости, вход интегральной схемы считывания соединен с первым электродом фотодиода через разделительный конденсатор, образованный двумя электродами, принадлежащими двум слоям металлических межсоединений интегральной схемы считывания с разделительным межслойным диэлектриком, и через дополнительную схему формирования сигнала, включающую два МОП транзистора с каналами первого типа проводимости, причем первый транзистор соединен стоком со входом схемы считывания, затвором и истоком с первым электродом источника питания интегральной схемы считывания, второй транзистор соединен стоком со входом схемы считывания, затвором со вторым электродом источника питания, истоком – с разделительным конденсатором через резистор.

РИСУНКИ