Фотоэлектрические процессы в объемных каналах полупроводниковых структур

Содержание.
ведение 4
лава 1. Приборы с зарядовой связью. 22
1.1 МОН конденсатор. 27
1.2 Приборы с зарядовой связью. 28
.2.1 ПЗС с поверхностным каналом. 28
.2.2 ПЗС с объемным каналом. 29
.2.3 ПЗС на основных носителях. 30
1.3 Способы физической реализации. Электродные структуры. 32
.3.1 Структуры с тремя электродами на ячейку. 32
.3.2 Структуры с четырьмя электродами на ячейку. 36
.3.3 Структуры с двумя электродами на ячейку. 42
.4.1. Боковое ограничение канала. 42
.4.2 Поверхностный и объемный каналы. 44
1.5 Устройства ввода и вывода. 48
.5.1 Инжекция зарядовых пакетов. 48
.5.2 Детектирование зарядовых пакетов. 52
.5.3 Регенерация. 55
.5.4 Соединение и разветвление каналов. 56
лава2. Процессы переноса заряда в спектрозональных фоточувствительных вухканальных объемных приборах с зарядовой связью. 59
2.1 Введение. 60
2.2 Физическая модель. Анализ процессов фоторелаксации в двухканальной бъемной структуре на основе приборов с зарядовой связью. 61
2.3 Конструкция и электрические характеристики ОПЗС. 69
2.4 Фотоэлектрические характеристики ОПЗС. 58
2.4 Экспериментальные исследования двухканальных приборов с зарядовой вязыо. Фотоэлектрические характеристики ПЗС. 77
2
2.5 Выводы. 83
лава 3. Многоканальные спектрозональные фоточувствительные объемные риборы с зарядовой связью. 84
3.1 Введение. К5
3.2 Структура трехканального ОПЗС (одномерная физическая модель). 86
3.3 Вывод уравнений процесса, фоторелаксации каналов ОПЗС. 91
3.4 Результаты численных расчетов и их обсуждение. 97
3.5 Выводы.. 106 лава 4. Моделирование процессов фоторелаксации в многоканальных объемных пектрозональных фоточувствительных приборах с зарядовой связью. 107
4.1 Введение. 107
4.2 Фоторелаксация каналов 0113С. 109
4.3 Выводы. 121
аключение 123
писок литературы 130
3
Введение.
Развитие современной науки и техники требует всестороннего изучения физических эффектов нс только на поверхности, но и в объеме полупроводниковых структур. Особый интерес представляют физические эффекты в фотоэлектрических преобразователях изображения на приборах с зарядовой связью (ФЭПИ ПЗС), которые широко применяются для создания передающих видеокамер. В традиционных конструкциях цветных видеокамер на ПЗС для преобразования оптического излучения в видеосигнал применяются, как правило, цветоразделяющая оптическая система и три ФЭПИ ПЗС. Однако возможно применение одного кристалла ФЭПИ ПЗС, имеющего на своей поверхности сложную многослойную систему интерференционных светофильтров.
Для создания спектрозональных ФЭПИ ПЗС оптического диапазона длин волн перспективными устройствами являются многоканальные спектрозональные объемные приборы с зарядовой связью (ОПЗС). Так как электрический потенциал имеет особый рельеф, то возникающие в толще полупроводника этих приборов, подвижные фотозаряды, созданные собственным поглощением оптического излучения в разных диапазонах длин волн, собираются в нескольких независимых каналах. Следует ожидать различные спектральные фоточувствительности указанных каналов. Поэтому для создания цветных передающих видеокамер на основе ОПЗС достаточно использовать лишь один кристалл ФЭПИ трехканального ОПЗС. Это должно обеспечить простую конструкцию, а следовательно, и большую надежность видеокамер в сравнении с известными конструкциями. К настоящему времени
4
опубликованы сообщения, в которых описан принцип действия и конструктивные особенности многоканальных и, в частности, двухканальных и трехканальных ОПЗС. Поэтому актуальной задачей для разработки спектрозональных ФЭП И на ОПЗС является исследование фотоэлектрических характеристик и процессов
фоторелаксации в многоканальных ОПЗС.
Цель работы - исследование процессов фоторелаксации и фотоэлектрических характеристик объемных каналов полупроводниковых структур на основе многоканальных спектрозональных объемных приборов с зарядовой связью.
Задачи исследования:
- исследование зависимости выходных видеосигналов 0113С для р-и п- каналов от времени накопления на нескольких фиксированных длинах волн поглощаемого оптического излучения в широком диапазоне времени экспозиции до заполнения "потенциальных ям" электронами и дырками под соответствующими накапливающими управляющими электродами;
- исследование спектральных фоточувствительностей
поверхностных и объемных каналов полупроводниковых
структур на основе ОПЗС в диапазоне длин волн от 0,4 мкм до
1,1 мкм;
- экспериментальное и теоретическое исследование максимумов спектральных фоточувствительностей путем компьютерною моделирования процессов фоторелаксации в поверхностном и объемном каналах;
5
- исследование влияния интерференции излучения, вводимого в многоканальную пленочную структуру поликремний - двуокись кремния - подложка;
- исследование эффективности одновременного переноса зарядов как в поверхностном так, и в объемном каналах полупроводниковых структур на основе ОПЗС;
- исследование влияния тактовой временной диаграммы импульсов напряжения на управляющих и боковых электродах на параметры и фотоэлектрические характеристики объемных каналов полупроводниковых структур различных типов проводимости на основе ОПЗС;
- исследование селективности собственного поглощения оптического излучения в объемных и поверхностных каналах путем моделирования процесса фоторелаксации в трехканальном кремниевом ОПЗС;
- исследование зависимостей спектральных
фоточувствительностей поверхностного и объемного каналов от материала полупроводниковой структуры ОПЗС (кремний, арсенид галлия) и конструктивні,їх параметров (толщины полупроводниковых слоев и концентрации легирующих примесей в них).
Научная новизна работы.
1. На основе проведенных исследований получена зависимость выходных видеосигналов в объемных каналах полупроводниковых структур различного типа проводимости на основе ОПЗС от времени накопления на нескольких фиксированных длинах волн поглощаемого оптического излучения.
6
2. Исследованы спектральные фоточувствительности
поверхностного и объемного каналов полупроводниковых структур на основе ОПЗС в диапазоне длин волн 0,1*1,1 мкм.
3. Исследованы эффективности одновременного переноса зарядов как в поверхностном, так и в объемном каналах полупроводниковых структур на основе ОПЗС.
4. Изучено влияние тактовой временной диаграммы импульсов напряжений на управляющих и боковых электродах на фотоэлектрические характеристики объемных каналов полупроводниковых структур различных типов проводимостей на основе ОПЗС.
5. Исследована селективность собственного поглощения оптического излучения в объемных и поверхностных каналах путем моделирования процесса фоторелаксации в трехканальном кремниевом ОПЗС.
6. Изучена зависимость спектральных фоточувствительностей поверхностного и объемных каналов в полупроводниковых структурах на основе ОПЗС в зависимости от материала полупроводниковой структуры (кремний, арсенид галлия) и конструктивных особенностей (толщина полупроводниковых слоев и концентрации легирующих примесей в них).
Научные положения выносимые на защиту.
1 ) Максимум спектральной фоточувствительности объемного р-каиала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,55 мкм.
2) Максимальная фоточувствительность поверхностного n-канала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,73 нм.
7
3) Эффективность переноса зарядов в поверхностном и объемных каналах двухканальной кремниевой структуры на основе ОПЗС составила 99,76% на частоте 75 кГц.
4) Предложен метод удержания электронов в поверхностном канале посредством подачи постоянного отрицательного напряжения в диапазоне от - 10,5 В до - 11 В на дополнительные боковые электроды.
5) Установлена линейная зависимость ог времени поверхностной концентрации фотоэлектронов, накапливаемых в поверхностном п -канале кремниевой трехканальной структура на основе ОПЗС при различных значениях длин волн от 0,5 мкм до 1,0 мкм.
6) Максимумы спектральных фотону вствительностей
поверхностного и объемных каналов в кремниевой трех канальной структуре смещены друг относительно друга и приходятся на длины воли 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм соответственно для поверхностного п- канала, объемных р- и п-каналов.
7) В поверхностном и объемных каналах полупроводниковых структур, имеющих более резкий, чем у кремния край собственного поглощения оптического излучения, максимумы спектральных фоточувствительностей смещены в сторону пороговой длины волны и разнесены по длинам волн в меньшей степени, что подтверждено исследованием спектральных фоточувствительностей, проведенным для поверхностного и объемных каналов полупроводниковых структур на основе арсенида галлия.
8) В результате численного моделирования процесса фоторелаксации кремниевого трехканального ОПЗС установлена селективность собственного поглощения оптического излучения в его каналах, проявляющаяся в различных спектральных характеристиках и их фоточувствительностях.
9) Выбирая материал полупроводниковой структуры ОПЗС(кремний, арсснид галлия) и варьируя его конструктивные параметры (толщины полупроводниковых слоев и концентрации легирующих примесей в них) можно изменять спектральные фоточувствительности каналов.
10) Применение электронной обработки видеосигналов, считываемых с трех каналов ОПЗС, позволяет сильнее
трансформировать его спектральные характеристики
фоточувствительностей, настраивая их на необходимые спектральные диапазоны выходною оптического видеосигнала.
Практическая значимость работы.
Решение физических проблем в области самих ПЗС, углубление наших представлений об электронных и фотоэлектрических явлениях в полупроводниковых слоях, использование нового высокочувствительного прибора в технике физического эксперимента, наконец в достижении таких технических рубежей, как разработка аналоговых микропроцессоров, развитие суперширокоформатного (и в дальнейшем объемного ) телевидения, очувствление роботов, создание систем искусственного зрения человека - все это требует знания физических основ и изучение физических эффектов не только в поверхностном, НС) и в объемных каналах полупроводниковых структур на основе ОПЗС. Знание физических процессов в объемных каналах ОПЗС необходимо для создания системы моделирования, без которой немыслим прогресс любых достаточно сложных электронных приборов, а тем более интегральных схем, к которым относится ОПЗС. Для создания спектрозональных однокристальных ФЭПИ ПЗС, имеющих поверхностный и объемный каналы, является перспективным
9
использованием многоканальных объемных приборов с зарядовой связью. Это в свою очередь делает задачу по исследованию фотоэлектрических характеристик и процессов фоторелаксации в объемных каналах полупроводниковых структур на основе ОПЗС актуальной и технически значимой.
Достоверность результатов исследований.
Работа представляет собой комплексное теоретическое и экспериментальное исследование. Теоретические положения базируются на фундаментальных положениях физики полупроводников и полупроводниковых приборов, структур мсталл-диэлектрик-полунроводник. Экспериментальные исследования выполнены с использованием традиционных оптических, электрических и зондовых методов, характерных для работы с ПЗС. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования имеют хорошее соответствие и Эю подтверждает достоверность результатов исследований.
В работе описывается одна из разновидностей приборов с зарядовой связью. Приборы с зарядовой связью - важнейший элемент фотоэлектрических преобразователей изображения .
В первой главе обсуждаются основные причины устойчивости приборов с зарядовой связью в общей иерархии микроэлектронных приборов:
- жизнеспособность основополагающей идейной концепции ПЗС, заключающейся в том, что в этих приборах информация представляется в виде зарядовых пакетов, которые возбуждаются в приповерхностной области полупроводникового кристалла;
- исключительная функциональная широта ПЗС, которая проявляется в способности оперировать цифровыми и
10
аналоговыми величинами, а также в возможности параллельного ввода больших массивов информации, в том числе соответствующих двумерным изображениям;
- топологическая простота ПЗС, которая заключается в регулярности размещения элементов, что обеспечивает возможность при заданном уровне технологии достижения в приборах с зарядовой связью наивысшей степени интеграции, которая является важнейшей характеристикой изделий электронной техники;
- совместимость приборов с зарядовой связью с другими изделиями электронной техники, отличающимися как по физическим принципам работы, так и по используемым материалам.
Все это обеспечивает новые пути реализации функциональных возможностей приборов с зарядовой связью, принципиально достижимых в традиционной электронике.
В данной главе также рассмотрены основные этапы возникновения и развития ПЗС, начиная с идеи использования цепочки конденсаторов, соединенных между собой идеальными однонаправленными ключами, сформулированной В.К. Зворыкиным в 1934 г. и дополненной впоследствии Н. Винером и изобретения Б. Байле.м и Дж. Смитом принципа зарядовой связи в 1969 году, который можно осуществить в цепочке МД11-элементов, реализованных на одной подложке и отделенных друг от друга узкими зазорами, что обеспечивает взаимодействие между соседними МДГ1-элемеитами, а также фундаментальные монографии по приборам с зарядовой связью К. Секена и М. Томпсета; К).Р. Носова и В.А. Шилина.
и