Диссертация (1090210), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Смещение на подложку подаётся спомощью электрода В.Заметим, что структура пиксела представляет собой, по существу, структуру полевого транзистора, в котором n−p-исток заменен МДП−истоком, астрочная n-область является стоком.Именно на этой границе в поверхностном канале происходит накоплениезаряда и его перенос (рисунок 3.5). Здесь, как и на рисунке 3.2, положительныезначения поверхностного потенциала отложены вниз по оси ординат. Для наглядности анализа не учитываем падение напряжения в диэлектрике, контактные потенциалы.Первая стадия – подготовка к работе. Напряжение обратного смещенияМДП−структуры задается подачей напряжений UA, UВ на электроды А и В соответственно, например:UА= 0; UВ = 150 В.(3.18)В этом случае – в предположении поведения алмаза как полупроводника –в алмазе вблизи границы должна сформироваться область объёмного заряда(ОПЗ).
На этой области падает поданное смещениеUA - UВ = 150 В.(3.19)96Рис.3.5 – Динамика работы ПЗИ-пиксела а – сечение пиксела (схематически);б, в, г – эпюры потенциалов на поверхности раздела алмаз – диэлектрикПоверхностный потенциал UП под электродом МДП−структуры (в пренебрежении падением напряжения на диэлектрике):U П ≈ U А = 0 В.(3.20)На сток подается потенциалUС = +10 В.(3.21)Благодаря этому в стоке формируется потенциальная яма.
Она отделена отканала МДП−структуры барьером под затвором. Чтобы его сформировать, назатвор подан потенциал U3:97U3 = -5 В.(3.22)Эта эпюра начального состояния изображена на рисунке 3.4б. Пиксел готов к работе – накоплению заряда.Вторая стадия – накопление (рисунок 3.5в). Накопление стандартно: фотоносителинакапливаютсявповерхностномканалефоточувствительнойМДП−структуры, перезаряжают её ёмкость. Накопленный заряд (поверхностный потенциал) изображен на рисунке 3.5 заштрихованной областью.Третья стадия – опрос (рисунок 3.5г). На шину опрашиваемой i-строки и,следовательно, на затворы всех пикселов этой строки подается импульс – потенциал изменяется от U3 = -5 В до U3 = +5 В. При этом барьер между каналомМДП−структуры и стоком снят, носители перетекают («сваливаются») в сток,что отражает стрелка на рисунке 3.5г.Здесь предлагается следующий способ считывания поступившего на сток(на столбцовую n-шину) заряда.
Перед опросом транзисторы ресетов в столб-цовом регистре (рисунок 3.3) отключается, все столбцовые n-шины переводятся в «плавающее» состояние. При опросе поступивший в сток заряд изменилего потенциал. Схема двойной коррелированной выборки (ДКВ) фиксирует этоизменение /∆UК/ . Собственно регистр столбцов при последовательном опросепередает эти значения /∆ UК/ на общий выход.Перейдем к обсуждению предложенной структуры.3.1.6 Решение задачи высоких смещений.В предложенной структуре подложка разъединена от земли. Это позволилоподать на неё необходимое для алмаза высокое смещение (150 В). На все рабочие электроды подаются типовые для кремниевых матриц значения потенциалов (в пределах 10−20 В).
Это возможно также благодаря малым уровням фототоков.Указанная выше эпитаксиальная структура, эффективная для стирания заряда, на алмазе нереализуема. В предложенной структуре (рисунок 3.3) инжекция в подложку заменена экстракцией носителей с накопительной ёмкости (с98МДП−структуры) в n-сток. Это должно обеспечить ещё более эффективноестирание заряда.3.1.7 Снижение ёмкости столбцовой шины.В описанном выше гибридном сэндвиче (раздел 3.1.2) с кремниевой электроникой предусматривался повторитель, согласующий высокоомный фотоприемник на основе алмаза со столбцовой шиной большой ёмкости. В алмазном ПЗИ−пикселе такой повторитель, естественно, нереализуем.
Столбцоваяшина из-за своей большой длины (через весь столбец) имеет высокую ёмкость,что всегда будет снижать чувствительность алмазной ПЗИ−матрицы. Однакомежду подложкой и стоком приложено высокое напряжение (~ 160 В). Крометого, алмазная подложка высокоомная. По этим причинам толщина ОПЗ можетбыть порядка сотни (сотен) микрон.
Сравните: в кремнии эта толщина порядка5−10 микрон. Так что снижение удельной емкости столбцовой шины в алмаз-ном ПЗИ (по сравнению с кремниевым) в значительной степени компенсирует«врожденный» порок этого прибора – его высокую ёмкость столбца, прямо оп-ределяющую чувствительность (но, конечно, компенсирует не полностью).3.1.8 Физико-технологические проблемы.Прежде чем приступить к моделированию и апробации рассмотреннойконструкции алмазного ПЗИ, следует провести комплекс исследований в следующих направлениях.• Получить детальную информацию о формировании области объёмногозаряда в алмазе, свойствах этой области как в Шоттки−барьерных приборах, таки в p−n переходах.• Исследовать возможности создания p−n-переходов, например, с помощьюионной имплантации.• Решить проблему поверхностных токов утечки.99Сам алмаз обладает высокими диэлектрическими свойствами.
Выбор «диэлектрика для диэлектрика», формирование алмазной МДП−структуры, подтверждение возможностей её работы в режимах накопления, переноса заряда(хотя бы однократного) − всё это также является необходимым направлениемпоисковых исследований.Проведенный анализ показывает, что из двух рассмотренных направленийразработок алмазных матриц предпочтение следует отдать гибридной сэндвичматрице, по крайней мере, по двум причинам:• её моделирование может быть начато с использованием уже существую-щих технологий алмазных фотоприемников и научно-технического задела в целом.• гибридная сэндвич-матрица превосходит ПЗИ в принципе, по важномудля большинства приложений параметру – по чувствительности, обусловленной наличием оптимизированных схем обработки в кремниевом пикселе.3.2 Варианты компоновки матричных фотоприемных устройствУчитывая, что на данный момент времени, уровень разработанной технологии не позволяет получать фототранзисторы на алмазе, предполагается использовать гибридную концепцию (см.
подраздел 3.1.3.) построения алмазногомногоэлементного фотодетектора (АМФД) − линейчатого и матричного фотоприемного устройства:• регистрация фотосигнала осуществляется линейчатым 2×128 [97] либоматричным (64х64 или 128×128) фоторезистивным приемником на алмазе[75,98-105].• считывание предварительно усиленного фотосигнала осуществляетсякремниевым мультиплексором (КМОП с ПЗС− регистрами, либо ПЗС) [98,106].Принципиальным является вопрос стыковки многоэлементного фотоприемника и мультиплексора. В настоящее время в технологии создания АМФДразвиваются два направления: гибридная матрица, собранная по технологии«флип-чип» на индиевых микростолбах с засветкой с обратной стороны [95] и100планарная технология коммутации выводов матричного фотоприемника икремниевого мультиплексора с помощью ультразвуковой сварки (УЗС) проволокой Au или Al [107], либо с помощью полиамидных шлейфов с засветкой спланарной стороны [108].В гибридном АМФД, собранном по технологии перевернутого кристалла(«флип-чип»), фотоприемная матрица и мультиплексор стыкуются с помощьювысоких (6−8 мкм) индиевых микростолбов, сформированных как на приемнойматрице, так и на мультиплексоре.
В данном варианте засветка фотоприемнойматрицы осуществляется с обратной стороны через полупрозрачный платиновый электрод (рисунок 3.6).Для улучшения адгезии платины к алмазу предварительно напыляетсяподслой титана (хрома).Преимуществом компоновки «флип-чип» является то, что алмазный фотоприемник сажается непосредственно на кремниевый кристалл, который затеммонтируется в корпус для разварки выводов коммутатора на внешние выводыкорпуса, связанными с электронным устройством управления мультиплексороми обработки сигнала (УУКОС).Рис.3.6 – Гибридный АМФД, собранное по технологии «флип-чип», засветкас обратной стороны101В данной компоновке, можно реализовать покадровое считывание сигнала(смотри подраздел 2.1.1).
К достоинствам следует также отнести простоту изго-товления фоторезистивной матрицы на основе природного алмаза.В АМФД, состыкованном на индиевых микростолбах, фоточувствительный элемент сильно удален от области генерация неравновесных носителей заряда УФ-излучением, близким к краю фундаментального поглощения алмаза(220 нм).Оно эффективно поглощается только в приповерхностном слое порядка 10мкм. Для того чтобы генерированные в приповерхностной области обратнойстороны матричного фотоприемника неравновесные носители заряда (электроны) смогли за время жизни продрейфовать к противоположной стороне и перетечь в накопительную емкость ячейки считывания мультиплексора, на полупрозрачный Pt-электрод необходимо подать отрицательное напряжение порядка 200 В при толщине алмазного кристалла 200 мкм.Тогда носители будут дрейфовать в режиме насыщения дрейфовой скорости (1−2)×107 см/с и за время пролета порядка 10−9 с, сопоставимого со временем жизни, достигнут противоположной стороны кристалла.
Чтобы приблизитьобласть генерации носителей к рабочей стороне кристалла при засветке с обратной стороны, данную сторону можно локально утонять (создавать окнаколодцы) с помощью лазерных технологий, либо помощью плазмохимическоготравления (ПХТ) в аргон−кислородной плазме.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
