Фотоэлектрические процессы в объемных каналах полупроводниковых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ведение лава 1. Приборы с зарядовой связью.

1.1 МОП конденсатор.

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.

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.

2.1 Введение.

2.2 Физическая модель. Анализ процессов фоторелаксации в двухканальной бъемной структуре на основе приборов с зарядовой связью.

2.3 Конструкция и электрические характеристики ОПЗС.

2.4 Фотоэлектрические характеристики ОПЗС. 58 2.4 Экспериментальные исследования двухканальных приборов с зарядовой вязью. Фотоэлектрические характеристики ПЗС.

2.5 Выводы. 83 лава 3. Многоканальные спектрозональные фоточувствительные объемные риборы с зарядовой связью.

3.1 Введение.

3.2 Структура трехканального ОПЗС (одномерная физическая модель).

3.3 Вывод уравнений процесса, фоторелаксации каналов ОПЗС.

3.4 Результаты численных расчетов и их обсуждение.

3.5 Выводы. 106 лава 4. Моделирование процессов фоторелаксации в многоканальных объемных пектрозональных фоточувствительных приборах с зарядовой связью.

4.1 Введение.

4.2 Фоторелаксация каналов ОПЗС.

4.3 Выводы. 121 аключение 123 писок литературы

Введение.

Развитие современной науки и техники требует всестороннего изучения физических эффектов не 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 опубликованы сообщения, в которых описан принцип действия и конструктивные особенности многоканальных и, в частности, двухканальных и трехканальных ОПЗС. Поэтому актуальной задачей для разработки спектрозональных ФЭПИ 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 ОПЗС 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 компьютерного моделирования процессов фоторелаксации в поверхностном и объемном каналах;

- 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 конструктивных 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.

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-канала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,55 мкм.

2) Максимальная фоточувствительность поверхностного п-канала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,73 нм.

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 от 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) Максимумыспектральныхфоточувствительностей поверхностного и объемных каналов в кремниевой трех канальной структуре смещены друг относительно друга и приходятся на длины волн 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, арсенид 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 трансформироватьегоспектральныехарактеристики фоточувствительностей, настраивая их на необходимые спектральные диапазоны выходного 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, но 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 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 металл-диэлектрик-полупроводник. 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 это 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 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. Байлем и Дж. Смитом принципа зарядовой связи в 1969 году, который можно осуществить в цепочке МДП-элементов, реализованных на одной подложке и отделенных друг от друга узкими зазорами, что обеспечивает взаимодействие между соседними МДП-элементами, а также фундаментальные монографии по приборам с зарядовой связью К. Секена и М. Томпсета; Ю.Р. Носова и В.А. Шилина.

В данной главе также рассмотрены основные принципиальные достоинства ПЗС: возможность оперирования с цифровой и аналоговой информацией; реализация многоуровневой логики; сочетание функций хранения и обработки сигналов; наличие оптического входа и самосканирования, позволяющие осуществить телевизионные преобразования изображения, а при введении фильтрации - и распознавание образов; наивысшая степень интеграции для сверх больших интегральных схем.

Во второй главе проведены исследования экспериментальной реализации ОПЗС, содержащего один поверхностный и один объемный каналы. Основное внимание обращено на исследование режима одновременного переноса зарядов в каналах при четырехтактной временной диаграмме управления, а также исследованию фотоэлектрических характеристик прибора. Разработана конструкция и исследованы электрические характеристики ОПЗС. Исследованный в этой главе ОПЗС представляет собой четырехтактный линейный ПЗС, имеющий по шестнадцать элементов разложения как в поверхностном, так и в объемном каналах, при этом на каждый элемент разложения приходится по четыре тактовых электрода.

В традиционных ПЗС с единственным объемным каналом р-типа электроны, являясь неосновными носителями заряда для слоя р-типа проводимости, покидают его через боковые границы (т.е. р-п переход ) и уходят в подложку п-типа проводимости. Однако, если в рассматриваемой конструкции ОПЗС приложить к боковым электродам постоянное отрицательное напряжение определенной величины, то электроны не уйдут из слоя р-типа, и будут удерживаться управляющими токовыми импульсами напряжения, приложенными к выходной п+-области. Считывание зарядовых пакетов и электронов осуществляется посредством "плавающего" электрода, расположенного на диэлектрике перед п+-областью и подключенного, в свою очередь, ко второму истоковому повторителю на основе МДП транзисторов.

Принципиальным моментом в работе рассмотренного ОПЗС является удержание электронов в поверхностном канале с помощью напряжения на боковых электродах. Поэтому были исследованы зависимости выходных видеосигналов из обоих каналов и эффективностей переноса зарядов в них от величины этого напряжения. Измерения показали, что выходные видеосигналы существенно зависят от величины напряжения на боковых электродах. Для среднего уровня тактового управляющего напряжения, равного - 8 В, электроны удерживаются в поверхностном канале, если только напряжение на боковых электродах больше или равно по модулю 9 В, т.е. когда абсолютная величина "бокового" напряжения превосходит несколько абсолютную величину среднего управляющего уровня на тактовых электродах. Установлено что, при этом начинает уменьшаться количество фотодырок, накапливаемых в р-канале под электродом с уровнем напряжения Ун= -20 В, на который сфокусирован оптический зонд. Эти фотодырки частично перетекают под боковой электрод и далее под соседние управляющие электроды ОПЗС, имеющие уровень потенциала в -20 В. Если боковое напряжение по модулю много больше среднего, например, боковое напряжение больше или равно по модулю 13 В, то потери накапливаемых фотодырок в результате их перетекания под боковые электроды настолько велики, что фотодырки равномерно распределяются вдоль объемного канала под электродом, имеющего потенциал величиной Ун. Это приводит к полному исчезновению локального фотовидеосигнала, созданного оптическим зондом и к возрастанию равномерно распределенного по МДП ячейкам р-канала видеосигнала, созданного как темновой термогенерацией дырок, так и растекшимися фотодырками.

Во второй главе показано, что появление фотодырок в р-канале под боковыми электродами приводит к экранированию электрического поля, создаваемого в р-слое напряжением на боковых электродах. Это обеспечивает уменьшение "бокового" потенциального барьера, удерживающего фотоэлектроны в поверхностном канале. В результате происходит резкое увеличение потерь фотоэлектронов, генерируемых оптическим зондом и собираемых в п-канале под управляющим тактовым электродом. Этим объясняется резкое уменьшение и даже исчезновение фотовидеосигнала при напряжении на боковых электродах по модулю большему либо равному 14 В.

Установлено что, электроны удерживаются в поверхностном канале лишь тогда, когда напряжение на "боковых" электродах выбрано в некотором диапазоне напряжений, определяемом величинами уровней тактовых напряжений на управляющих электродах. В данной главе для рассматриваемого режима работы ОПЗС, найден оптимальный диапазон напряжений. В этом экспериментально установленном диапазоне напряжений эффективность переноса фотоэлектронов в п-канале достигает наибольшего значения -99,76%. Эффективность переноса фотодырок в р-канале в этом случае уменьшается от 99,97 до 99,76%.

Установлено, что максимум спектральной фоточувствительности объемного канала приходится на длину волны -0.55 мкм , что подтверждается результатами компьютерного моделирования процессов фоторелаксации п- и р- каналов.

Во второй главе показано, что в интервале длин волн от 0,4 мкм до 0.55мкм экспериментально полученные данные по фоточувствительности меньше расчетных. Это обстоятельство связано с экспериментальной структурой ОПЗС. Проникающее в каналы оптическое излучение проходит через поликремневые управляющие электроды толщиной -0.5 мкм. В них поглощается коротковолновая область оптического спектра. Влияние указанных электродов на фоточувствительность ОПЗС проявляется также в наличии "изломов" и "провалов" на экспериментальных кривых. Это связано с интерференцией вводимого излучения в многослойной пленочной структуре поликремний - двуокись кремния - подложка

Полученные во второй главе результаты подтвердили практическую возможность создания многоканальных объемных ПЗС. Установлено, что увеличение эффективностей одновременного переноса зарядов в каналах рассматриваемого ОПЗС возможно как за счет усовершенствования его конструкции, так и оптимизацией тактовой временной диаграммы импульсов напряжения на его управляющих и боковых электродах, а также применения в конструкции двухканального ОПЗС только объемных каналов, как п- и р-типов проводимости.

В третьей главе рассмотрена структура трехканального ОПЗС (одномерная физическая модель). Конструкция линейного трехканального ОПЗС схематически содержит полупроводниковые слои р- и п-типов проводимости, расположенные на полупроводниковой подложке р-типа. Прикладывая отрицательное и положительное напряжения соответственно к р- и п-слоям относительно подложки, можно полностью удалить из них равновесные основные носители зарядов. Образующееся при этом вдоль оси ъ распределение электрического потенциала имеет в р-слое минимум, а в п-слое - максимум, так что в р-слое возникает объемный канал для переноса дырок, а в п -слое - объемный канал для переноса электронов. В свою очередь, у границы р-слоя и диэлектрического слоя, на котором расположены управляющие электроды ОПЗС, образуется поверхностный канал п -типа проводимости. С помощью управляющих импульсов напряжении, поданных на .управляющие электроды по трех- или четырехтактной временной диаграмме, можно выполнить одновременный перенос разнополярных пакетов зарядов по указанным п- и р-каналам соответственно в одном или в противоположных направлениях. Частота следования тактовых управляющих импульсов напряжения выбиралась такой, чтобы время прохождения одного пакета заряда вдоль всей линейки ОПЗС было существенно меньше времени терморелаксации прибора. В этом случае в п-слое существует положительный пространственный заряд обедненной донорной примеси, а в р-слое отрицательный пространственный заряд, обедненных акцепторов.

Ввод зарядов в каналы ОПЗС осуществлялся оптическим способом в результате собственного поглощения в рассматриваемой р-п-р структуре прибора оптического излучения, спроецированного равномерно на внешнюю его поверхность.

В главе получено распределение электрического потенциала, полученное в результате анализа одномерной модели рассматриваемого ОПЗС на основе решения уравнения Пуассона.

В данной главе выведены уравнения процесса фоторелаксации каналов ОПЗС. Рассмотрен процесс накопления в каналах ОПЗС фотоносителей, созданных в результате собственного поглощения излучения. Для простоты анализа использовалась трехтактная временная диаграмма управляющих импульсов напряжений, имеющая три уровня положительных напряжений. Рассмотрен промежуток времени, когда указанные уровни напряжении приложены соответственно к первому, второму и третьему управляющим электродам. Средний уровень управляющего напряжения позволяет изменять глубины «потенциальных ям» под электродами управления электронов и дырок. Вследствие этого были оптимизированы максимальные величины концентраций фотоэлектронов, накапливаемых в п-каналах и соответственно максимальные концентрации фотодырок, собираемых в р -канале.

Поскольку области пространственных зарядов поверхностного п-канала и объемного р-канала перекрываются, а также перекрываются ОПЗ объемных р- и п-каналов, то в спектральные фоточувствительности каналов дают вклад также фотоэлектроны и фотодырки, рождаемые собственным поглощением излучения в местах перекрытия ОПЗС. В данной главе показано, что для лучшего разделения в ОПЗС фотозаряды, созданные поглощением оптического излучения на разной глубине от поверхности его р-п-р структуры, чтобы сделать более селективными спектральные характеристики фоточувствительностей его каналов, были введены еще две дополнительные спектральные характеристики фоточувствительностей каналов. Показано, что полученные результаты позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС как перспективный однокристальный спектрозональный фотоэлектрический преобразователь изображения.

В четвертой главе проведено численное моделирование с применением ЭВМ процесса фоторелаксации линейного трехканального ОПЗС и расчет спектральных характеристик фоточувствительностей его каналов. Анализ выполнен для ОПЗС, которые могут быть созданы на основе кремния.

Показано, что для значений среднего напряжения близких к уровням верхнему и нижнему на электродах 1 и 2 величины фоточувствительностей в каналах малы. Установлено, что это объясняется малыми глубинами соответствующих электронных и дырочных «потенциальных ям» под электродами. Наиболее оптимальные значения среднего напряжения составляют ~8 В ^ 12 В, поскольку при них в поверхностном и обоих объемных каналах накапливаются сравнимые концентрации фотоэлектронов и фотодырок, составляющие ~(2-6)х10 см ". Было установлено, что наименьшие величины времени фоторелаксации кремниевого трехканального ОПЗС составляют: 1-Ю.6 мсек при Р=100 мкВт/см2 , что приблизительно в сто раз меньше, чей в ПЗС с одним объемным каналом. Это объясняется тем, что в случае сравнимых величин фоточувствительностей в каналах время фоторелаксации определяется общим временем фоторелаксации в электронных (поверхностных и объемных) «потенциальных ям» под электродами 1. Показано, что оно должно быть меньше времени фоторелаксации дырочных «потенциальных ям» в р-канале под электродами 3. Установлено, что это происходит потому, что электронные «потенциальные ямы» в поверхностном и объемном п-каналах, заполняясь параллельно, быстрее уменьшают области пространственных зарядов в подложке ОПЗС под электродами -1. В настоящей главе обнаружен и исследован немонотонный характер зависимости времени от длины волны поглощаемого излучения, а также наличие осцилляций на этих зависимостях, которые обусловлены различной спектральной фоточувствительностью каналов ОПЗС для разных длин волн.

Представлены полученные спектральные характеристики фоточувствительностей поверхностного и двух объемных каналов, рассчитанные для кремниевого ОПЗС. Показано, что каналы кремниевого ОПЗС должны проявлять селективность в собственном поглощении оптического излучения. Максимумы спектральных фоточувствительностей каналов смещены относительно друг друга и приходятся на длины волн 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм соответственно для поверхностного п-канала, объемных р- и п-каналов. Установлено, что это определяется, во-первых, существенной дисперсией по длинам волн коэффициента собственного поглощения оптического излучения в кремнии вблизи края собственного поглощения. Во-вторых, ОПЗ, из которых происходит сбор в каналы фотозарядов, расположены на разной глубине от поверхности полупроводниковой р-п-р структуры и лишь частично перекрываются друг с другом. Причем, ОПЗ поверхностного п-канала тоньше ОПЗ других каналов. На основании сказанного показано, что поверхностный п-канал является более фоточувствительным к коротковолновому излучению и имеет меньший максимум спектральной фоточувствительности, чем объемный п-канал. Последний проявляет большую фоточувствительность к длинноволновому оптическому излучению.

Выполненные в четвертой главе численные расчеты показывают, что можно изменять в некоторой степени спектральные фоточувствительности каналов, изменяя в допустимых пределах толщины п- и р-слоев и концентрации легирующих примесей в них. Однако более существенным может оказаться метод, основанный на электрической обработке видеосигналов, считываемых из каналов ОПЗС. В данной главе показано, что складывая или вычитая видеосигналы с необходимыми весовыми коэффициентами, можно лучше разделить максимумы спектральных характеристик фоточувствительностей.

Установлено, что в ОПЗС на основе полупроводников, имеющих более резкий, чем кремний, край собственного поглощения оптического излучения, максимумы спектральных фоточувствительностей каналов должны быть смещены в сторону пороговой длины волны и разнесены по длинам волн в меньшей степени. Подтверждением этого являются представленные на рис.8 спектральные фоточувствительности каналов, рассчитанные для трехканального ОПЗС, в котором в качестве полупроводникового материала выбран арсенид галлия. Показано, что фоточувствительности поверхностного п-канала и объемного р-канала существенно различаются лишь для длин волн соответствующих границе собственного поглощения излучения в арсениде галлия. Для этих длин волн более резко выражена селективность поглощения излучения, по мере его проникновения в толщу полупроводника. Этим обстоятельством объясняются сравнительно узкий интервал по длинам волн фоточувствительности объемного п-канала, а также формы спектральных кривых. В четвертой главе, в результате численного моделирования процесса фоторелаксации кремниевого трехканального объемного прибора с зарядовой связью установлена селективность собственного поглощения оптического излучения в его каналах проявляющаяся в различных спектральных характеристиках их фоточувствительностей.

В данной главе также показано, что выбором материала полупроводниковой структуры ОПЗС (кремний, арсенид галлия), изменением его конструктивных параметров (толщин полупроводниковых слоев и концентраций легирующих примесей в них) можно изменять спектральные фоточувствительности каналов. Показано, что применение электрической обработки видеосигналов, считываемых из трех каналов ОПЗС, позволит сильнее трансформировать его спектральные характеристики фоточувствительностей, настраивая их на необходимые спектральные диапазоны входного оптического сигнала. Полученные в диссертационной работе результаты позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС как перспективный однокристальный спектрозональный ФЭПИ.

Глава 1. Приборы с зарядовой связью.

Не будет преувеличением сказать, что изобретение приборов с переносом заряда (ППЗ), в частности приборов с зарядовой связью (ПЗС), явилось крупнейшим событием в развитии полупроводниковой электроники. Простой принцип, заложенный в основу работы приборов с переносом зарядов, обеспечил необычайную гибкость и универсальность этих приборов. Именно эти качества обусловили возможность применение ППЗ для решения самых разнообразных задач. На основе этих приборов созданы устройства обработки цифровой информации, оперативные запоминающие устройства большого объема, линии задержки и фильтры. Но, пожалуй, наиболее впечатляющий пример использования ПЗС - это приемники изображения. Только благодаря ПЗС удалось, наконец, решить проблему создания растровых безвакуумных передающих телевизионных устройств - аналогов видикона.

Бурное развитие этой новой области микроэлектроники было подготовлено как «идеологически» так и технологически. К моменту появления идеи переноса заряда вдоль поверхности полупроводника уже было достигнуто глубокое понимание физических явлений в структурах металл-диэлектрик- полупроводник, служащих основой ППЗ. Что касается методов изготовления таких структур, то они уже были найдены в связи с успешными разработками больших интегральных схем на основе полевых транзисторов с изолированным затвором.

Темпы разработки и внедрения приборов с зарядовой связью не знают себе равных в истории полупроводниковой электроники, где срок, отделяющий идею от промышленного производства, составлял обычно не менее шести лет. Всего две недели потребовалось для преодоления пути от исходной идеи ПЗС до экспериментального образца и еще три-четыре года до появления в продаже серийных приборов.

Принципы работы ПЗС изложены в целом ряде монографий [1-11].

Приборами с переносом заряда (ППЗ) называют семейство функциональных твердотельных электронных устройств, включающие интегральные цепочки МОП-транзисторных структур (или «пожарные цепочки») и приборы с переносом заряда при подаче на них определенной последовательности тактовых импульсов осуществляется управляемое перемещение зарядов (макроскопических зарядовых пакетов) вдоль полупроводниковой подложки. Используя этот механизм, можно обеспечить выполнение таких совершенно различных функций, как преобразование изображения в видеосигнал, запоминание информации, обработка аналоговых сигналов и логические операции. Применение приборов с переносом заряда приведет к уменьшению габаритов и стоимости электронного оборудования для систем связи, ЭВМ и бытовой аппаратуры.

Идеи, на которых основаны ППЗ, были высказаны много лет назад, но интерес к ним усилился лишь начиная с 1970 г., когда были предложены приборы с зарядовой связью, для образования которых, по крайней мере в принципе, требуется лишь один слой металла и совсем не нужны диффузионные области. Основная идея движения потенциальных ям под электродами, к которым приложено соответствующее импульсное напряжение, получила широкое признание, когда научная общественность оказалась подготовленной к восприятию и развитию новых представлений. С этого времени темп исследований и разработок значительно возрос и уже сейчас промышленность выпускает несколько видов устройств, предназначенных для совершенно различных областей применения.

Идея запоминающего устройства, в котором используется заряд, хранящийся на обкладках конденсаторов, была высказана В. К. Зворыкиным еще в 1934 г., когда появились самые первые телевизионные камеры со сканирующим электронным лучом и запоминающие трубки

12]. Позднее эта мысль, дополненная указанием на последовательный принцип действия, используемый сейчас в приборах с переносом заряда, была сформулирована Н. Винером: «Одним из простейших способов хранения информации в течении относительно небольшого времени является зарядка конденсатора, а если это дополнить телеграфным повторителем, такой способ становится уже вполне приемлемым» [13]. В работе [14] предложена та же идея, но в более конкретной форме: цепочка идеальных буферных усилителей и идеальных ключей, которые могли бы передавать аналоговые сигналы на конденсаторы. Позднее такие цепи были осуществлены с помощью громоздких блоков из радиоламп и конденсаторов [15]. Это устройство служило регулируемой аналоговой линией задержки, которую можно было использовать для коррекции изменений скорости движения ленты в записывающей аппаратуре. Такие схемы были названы «пожарными цепочками» по аналогии со старинным способом передачи ведер с водой при тушении пожара. В 1967 г. этот принцип был применен вначале в схемах с биполярными транзисторами [16, 17], а затем в схемах на полевых МОП-транзисторах с изолированным затвором (ПТИЗ) [18, 19]. Полностью интегральный вариант этих схем сейчас известен как приборы типа «пожарных цепочек».

Независимо от этой работы и совершенно другим путем Бойл и Смит [20] пришли в конце 1969 г. к принципу переноса заряда в приборах с зарядовой связью (ПЗС) при поиске электрического аналога приборов на цилиндрических магнитных доменах [21]. Они предложили, что цепочка МОП - конденсаторов может служить для хранения и переноса вдоль нее электрических зарядов, когда металлические электроды конденсаторов расположены близко друг от друга и отделены общим слоем диэлектрика от полупроводниковой подложки. Эти электроды, на которые подается определенная последовательность импульсов, вызывают движение потенциальных ям на границе раздела полупроводник-диэлектрик, а потенциальные ямы содержат пакеты неосновных носителей заряда. Для того чтобы изолировать друг от друга отдельные зарядовые пакеты, Бойл и Смит вначале предложили структуру, однородную вдоль границы раздела в приделах одного МОП-конденсатора, и систему трехтактного питания (3 - минимальное необходимое число шин питания для однородной структуры). В работе [21] были предложены структуры, для которых требуется только двухтактное питание (каждый МОП - транзистор сделан несимметрично относительно направления переноса).

Изобретение часто является продуктом своего времени, поэтому интересно рассмотреть другие независимые работы, которые так или иначе относятся к ПЗС. Такой работой было исследование поверхностно-зарядовых транзисторов [22], в которых исток и сток обычных ПТИЗ были заменены участками инверсионного слоя, сформированными под электродами МОП - конденсаторов. Такие транзисторы, расположенные последовательно друг за другом, образуют прибор с переносом заряда с перекрывающимися электродами. Для полупроводниковых запоминающих устройств с произвольной выборкой была предложена динамическая ячейка памяти, в которой информация хранится в виде зарядового пакета под электродом МОП-конденсатора [23, 24]. В работе [25] по вычислительным системам с минимальной рассеиваемой энергией представлена теоретическая термодинамическая модель, в которой частицы переносились управляемым образом из одной потенциальной ямы в другую.

Идея ПЗС оказалась такой простой и заманчивой, что побудила инженеров, работающих в различных областях, использовать приборы с переносом заряда для своих целей. За очень короткое время было придумано множество вариантов ППЗ и всевозможных применений. Потребовалось лишь несколько дней, чтобы экспериментально проверить принцип переноса заряда в структуре с близко расположенными МОП конденсаторами [26]; еще через несколько дней первый ПЗС на 8 бит был продемонстрирован в качестве линии задержки и простого строчного приемника изображения [17]. Через два года появился приемник изображения на ПЗС для системы с относительно невысоким разрешением, имеющий 13000 элементов [18].

Фактором, способствовавшим быстрому развитию техники ПЗС, оказалось наличие нескольких развитых технологических способов создания МОП - транзисторных интегральных схем (ИС), в которых были преодолены трудности, связанные с проблемой нестабильности порогового напряжения, и которые можно было использовать для изготовления этих новых приборов. Быстрый прогресс в реализации ПЗС был достигнут благодаря тому, что новые устройства можно было изготавливать на уже существующих технологических линиях. Хотя «пожарные цепочки» на МОП - структурах можно действительно сделать, используя стандартный способ изготовления МОП - транзисторных ИС, все же для создания ПЗС обычно требуется более сложная технология (чтобы обеспечить требуемые характеристики и надежность), чем это предполагалось в первых работах. В этом одна из причин того, что промышленные образцы ПЗС не были созданы так быстро, как ожидали, основываясь на результатах успешных демонстрационных моделей. Необходимо было также решить многие другие практически важные задачи: научится проектировать периферийные цепи для ПЗС, получить высокий выход годных приборов, имеющих хорошую линейность передаточной характеристики, высокое отношение сигнал/шум и малые темновые токи. Более того, поскольку конструкции ПЗС, предназначенные для разных применений, имеют существенные отличия, проблемы, решаемые при проектировании и изготовлении приборов, различны, и это приводит к распылению усилий при разработке ПЗС для каждого отдельного применения.

Большая сложность изготовления ПЗС (по сравнению с «пожарными цепочками ») компенсируется тем, что ПЗС обладают более высокой эффективностью переноса и меньшими шумами, связанными с переносом. Таким образом, ПЗС предпочтительней для многих применений. До сих пор «пожарные цепочки» использовались почти исключительно для задержки звуковых и видеосигналов или для фильтрации, в то время как все надежды на ПЗС были вначале связаны с их возможным использованием в качестве приемников изображения в полностью твердотельных телевизионных камерах и системах передачи факсимильных изображений. Сравнительно недавно началось использование ПЗС для обработки аналоговых электрических сигналов. Для этого на основе ПЗС можно создать трансверсальные фильтры с несколькими сотнями отводов, каждый со своим весовым коэффициентом, а это позволит сделать компактными такие сложные системы как устройства для преобразования Фурье в реальном времени. Растет также интерес к использованию ПЗС в миниатюрных цифровых запоминающих устройствах большой емкости.

§ 1.1 МОП конденсатор.

Основой многих приборов с переносом заряда является конденсатор со структурой металл - окисел - полупроводник (МОП - конденсатор).

МОП - конденсатор: металлический электрод, нанесенный на термически окисленную подложку из р- кремния [29, 30]. Если в некоторый момент времени приложить к металлическому электроду положительное напряжение относительно подложки, то основные носители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с окислом, будут отталкиваться от электрода и покинут этот слой. При этом на границе раздела окисел-кремний образуется потенциальная яма для носителей противоположного типа (электронов), которая вначале будет пуста, т.е. обеднена подвижными носителями. Распространение потенциальной ямы вдоль поверхности кремния (т.е. границы раздела) ограничивается специальными областями полупроводник, которые имеют тот же тип проводимости, но степень лигирования на несколько порядков выше (здесь р+-тип). Их принято называть областями стоп-диффузии. Ограничение обеспечивается тем, что в областях стоп диффузии поверхностный потенциал на границе раздела «окисел-кремний» всегда близок к нулю. Электроны, которые термически генерируются внутри или около потенциальной, собираются в ней вблизи границы раздела и образуют инверсионный слой толщиной - 10 нм.

Для наглядности потенциальную яму можно представить как ведро, а неосновные носители - как жидкость, которая частично заполняет его. Для представления размера и глубины пустого ведра можно использовать первоначальное значение поверхностного потенциала под электродом (или положение границы обеднения).

§ 1.2 Приборы с зарядовой связью.

1.2.1 ПЗС с поверхностным каналом.

Если два МОП конденсатора расположены так близко друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются (или «связываются»), то подвижный заряд неосновных носителей будет накапливаться в том месте, где выше значение поверхностного потенциала. Используя жидкостную модель можно сказать, что заряд течет в наиболее глубокую часть потенциальной ямы. За счет этого возможен управляемый перенос заряда от одного электрода к другому (соседнему). Зарядовый пакет, который инжектируется электрическим путем или за счет оптической генерации под электрод, находящийся под достаточно высоким напряжением, будет распространятся вдоль границы раздела кремний-окисел под соседний электрод, если на него подано такое же или более высокое напряжение. Если же напряжение на электроде затем уменьшить, то зарядовый пакет полностью перетечет под электрод.

Если ряд таких электродов присоединить к шинам тактового питания так, чтобы каждый последующий электрод был подключен к очередной шине, соблюдая при этом периодичность, то вдоль цепочки электродов можно одновременно переносить несколько зарядовых пакетов. Канал переноса заряда ограничен областями стоп - диффузии в кремнии или областями окисла, имеющего большую толщину. Соседние зарядовые пакеты изолированы друг от друга потенциальными барьерами, которые возникают под электродами, находящимися под низким напряжением. Таким образом, для того чтобы перенести зарядовый пакет на полную ступень или элемент, надо произвести три переноса из ямы в яму, для чего требуется три отдельных тактовых импульса. Ниже рассмотрено несколько других примеров подключения электродов переноса.

1.2.2 ПЗС с объемным каналом.

В приборах, описанных выше, перенос и хранение сигнального заряда имеют место в потенциальных ямах на границе раздела окисел-кремний. Это приводит к некоторым ограничениям, вызванным взаимодействием этого заряда с поверхностными состояниями и недостаточно высокой скоростью переноса заряда. Подобные ограничения в меньшей степени проявляются в ПЗС с объемным каналом, которые также были названы ПЗС со скрытым каналом [31, 32] или перистальтическими ПЗС [33]. В этих приборах имеется эпитаксиальный или ионно - легированный приповерхностный слой кремния (или оба слоя одновременно), тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки. При работе такого ПЗС максимум потенциала в каждой яме находится не на границе раздела окисел - кремний, а на некотором расстоянии от нее в объеме полупроводника. Упомянутый слой п-кремния имеет омические контакты в виде входного и выходного диодов прибора, которые под действием соответствующего напряжения смещения обратной полярности "вытягивают" из канала переноса все подвижные носители заряда. После того, как все подвижные носители удаляются двумя диодами с помощью подачи напряжения смещения обратной полярности на р-п- переход, образованный слоем п-кремния и р-подложкой вблизи от границы раздела возникает потенциальная яма и связанный с ней обедненный объемный канал. Подвижные носители заряда (в данном случае электроны ) будут скапливаться на дне потенциальной ямы, т.е. вблизи максимума потенциала, что приведет к образованию плоского участка на энергетической диаграмме внутри слоя п-кремния. Тактовые импульсы, приложенные к электродам переноса, приводят к такому изменению потенциала в канале, что позволяет получить движущиеся потенциальные ямы, которые могут хранить или перносить зарядовые пакеты тем же способом, как в приборах с поверхностным каналом.

1.2.3 ПЗС на основных носителях.

ПЗС с объемным каналом, описанные выше, и некоторые его варианты можно рассматривать как частный случай ПЗС на основных носителях заряда, впервые предложенного в работе [34]. Использование неосновных носителей, хранящихся в потенциальных ямах в инверсионном слое вблизи поверхности полупроводника, - не единственный путь построения прибора с переносом заряда. Подобные функции можно осуществить используя изолирующую среду с достаточно высокой подвижностью и большим временем жизни носителей заряда. Полуизолирующие материалы, подобные окислу цинка или сульфиду кадмия, или материалы типа тантала калия обладают требуемыми свойствами. Часто эти материалы являются полуизолирующими полупроводниками с проводимостью п—типа и со сравнительно широкой запрещенной зоной. Тонкая подложка из такого материала покрывается диэлектриком, имеющим большую ширину запрещенной зоны, (например, двуокись кремния), и снабжается соответствующей электродной структурой. Подложку можно выполнить также в виде эпитаксиальной пленки на пластине из изолятора; пленка должна быть достаточно тонкой, чтобы ее можно было полностью обеднить носителями за счет электрического поля, напряженность которого ниже напряженности пробивного поля для диэлектрика под электродами. Сигнальный заряд можно инжектировать в полуизолирующую подложку через омический контакт или барьер Шоттки. Заряд хранится и переносится вблизи границы раздела подложки и диэлектрика в соответствии с движением потенциальных ям и барьеров, которые вызваны тактовыми импульсами, поданными на электроды.

Указанные выше полуизолирующие материалы имеют большую по сравнению с кремнием ширину запрещенной зоны, что является предпосылкой снижения тепловой генерации носителей. А низкая скорость тепловой генерации позволяет получить большие времена запоминания или меньший, так называемый геометрический, шум, обусловленный разбросом темнового тока. Однако наиболее интересно получить большие времена запоминания в приемниках изображения, а в них большая ширина запрещенной зоны фоточувствительного материала - серьезное препятствие для собственного поглощения длинно волнового света. Кроме того, чтобы указанные преимущества ПЗС на основных носителях могли стать практически полезными, технология изготовления их на основе полуизолирующих материалов должна быть доведена до уровня, сравнимого с уровнем технологии кремниевых интегральных схем, а это еще не сделано.

§ 1.3 Способы физической реализации. Электродные структуры.

Прибор с переносом заряда является, по существу, набором электродов переноса, которые соединены между собой периодическим образом. При соответствующем импульсном питании электроды переноса создают в полупроводниковой подложке движущийся массив потенциальных ям. Предложено бесчисленное множество различных электродных структур и многие успешно реализованы в лабораториях. В общем случае эксплутационные характеристики, простота изготовления и размер элементарной ячейки электродной структуры взаимосвязаны.

1.3.1 Структуры с тремя электродами на ячейку.

При использовании простых симметричных электродов требуется по крайней мере три тактовых напряжения, чтобы определить направление переноса заряда. Если под некоторым электродом хранится заряд, то только один из соседних может быть "включен", другой же соседний электрод должен оставаться под низким потенциалом; в этом случае он действует как блокирующий электрод - предотвращает обратный поток заряда. В специальных случаях могут быть введены дополнительные тактовые напряжения, но обычно число тактовых шин стремятся сделать минимальным. Конструкция ПЗС, предложенная первоначально [20] содержала три группы электродов, вытравленных из одного слоя металла, с узкими зазорами между электродами. Именно такой конструкции был первый [27] и несколько последующих приборов с зарядовой связью. Они удовлетворительно работали в лабораторных условиях; при электродах длинной 10 мкм и зазорах между ними 2,5 мкм неэффективность переноса заряда составляла 10~4 [35]. Критической операцией в изготовлении таких приборов является травление зазоров между электродами. Чтобы потенциальные ямы могли перекрываться без образования потенциальных барьеров, ухудшающих рабочие характеристики прибора, ширина зазора должна быть не более микрон [36, 37]. Но даже в узких зазорах профиль потенциала может меняться при изменении величины электростатического заряда на внешней поверхности окисла в зазорах, что может привести к низкой и непостоянной величине эффективности переноса [38]. Кроме того, необходимость в узких зазорах, которые меньше стандартного минимума (5 - 7 мкм), определяемого фотолитографией, приводит к значительному уменьшению выхода годных приборов. Дефекты фотошаблонов или фотоэмульсий, частицы пыли размером всего лишь в несколько микрон могут замкнуть накоротко смежные электроны и вывести прибор из строя. В работе [39] описан технологический прием, который называется защитным травлением и с помощью которого можно сформировать субмикронные зазоры в однослойной системе алюминиевых электродов при довольно хорошем выходе годных приборов. Этот технологический прием подобен приему, который называется подрезкой изоляции [40] и который использовался для изготовления двухфазных приборов. После нанесения первого слоя металла на мете второго электрода создаются окна травления не покрытые фоторезистом. Первый слой металла в этих окнах травится до тех пор, пока не сформируется хорошо выраженный выступ края фоторезистивного слоя. Величина выступа определяет фактическую ширину зазоров, которые получаются в результате затенения вытравленных окон выступающими краями фоторезиста при вертикальном напылении второго слоя металла. Металл, находящийся сверху фоторезиста, удаляется "взрывом" при снятии фотрезиста после того, как по второму слою сделана фотолитография, формирующая шины разводки и контактные площадки.

Для того чтобы поверхностный потенциал под незащищенными межэлектронными зазорами был определенной величины, всю электродную структуру можно покрыть резистивным слоем [41]. Характеристики прибора становятся более стабильными и увеличивается выход годных приборов, так как зазоры в это случае могут быть значительно шире. Эта идея была реализована в электродной структуре, состоящей из сплошного слоя высокоомного поликристаллического кремния в котором трехфазная структура электродов создана путем селективного легирования областей, которые служат электродами [42]. Необходимые пересечения, шины разводки и контактные площадки создаются из дополнительного слоя металла. Недостатком такой структуры является большой минимальный размер ячейки. На длине ячейки содержится шесть элементов, формируемых локальным легированием. Размеры этих элементов нельзя сделать достаточно малыми, так как процесс локального легирования гораздо хуже поддается управлению, чем травление металла. Кроме того, сопротивление зазоров должно быть достаточно малым, чтобы потенциал резистивного слоя в зазорах "отслеживал" форму импульсов тактового питания, но не слишком малым, так как это потребовало бы дополнительной мощности; таким образом, прибор будет хорошо работать в узком диапазоне частот.

Другой путь получения защищенного канала - формирование перекрывающихся электродов переноса из нескольких слоев металла. Легко получить четырех фазную или многофазную структуру, выполняя смежные электроды попеременно из первого и второго слоя металла; такие структуры рассматриваются в следующем разделе. Использование двух слоев металла в трехфазных структурах требует применения составных электродов. Части электрода, выполненные из разных слоев металла, через контактные окна подсоединяются к определенной тактовой шине. Для создания трехфазной двухслойной структуры [45] использовалась технология анодированного алюминия [43, 44]. До напыления второго слоя металла по первому слою проводится фотолитография и электродное анодирование. Площадки, где требуется межслойные соединения, во время анодирования закрыты фоторезистом. Достоинством этой технологии является то, что здесь не требуются высоко температурные операции для формирования электродной структуры, а также то, что возможно создание низкоомных шин разводки в обоих слоях. Отдельные электроды можно легко соединить шиной, выполненной из металла любого слоя. С геометрической точки зрения полученная элементарная ячейка состоит из шести электродов, однако в каждой такой паре можно одновременно вырабатывать два зарядовых пакета.

Использование трех отдельных слоев металла для формирования трех наборов электродов [46] дает возможность изготовить компактную ячейку, длина которой ЗБ - всего лишь в три раза больше минимального разрешимого размера Б. В такой структуре мала вероятность внутрислойных коротких замыканий, вызванных дефектами фоторезистивной маски или пылью в процессе травления. Более того, поскольку из каждого из каждого слоя металла изготовлены электроды лишь одной фазы и, следовательно, они находятся под одинаковым напряжением, короткие замыкания внутри слоя приводят лишь к плохой эффективности переноса в местах таких дефектов, если они возникли в первом или втором слое электродов над каналом переноса. С другой стороны, число таких коротких замыканий между слоями, которые могли бы выводить прибор из строя, очень незначительно, если используется высококачественный изолятор, такой как термически выращенный окисел на поликремниевых электродах или анодированный алюминий.

Напыленный окисел не подходит для межслойной изоляции, так как в нем больше проколов, чем в термически выращенном окисле. Однако увеличение толщины слоя подзатворного изолятора в процессе последующих операций окисления приводит к увеличению порогового напряжения электродов из верхних слоев поликремния, а также к уменьшению их удельной емкости по сравнению с электродами из первого слоя.

В ПЗС с поверхностным каналом и поликремниевыми электродами получены очень низкая неэффективность переноса 2 * 10"5) [46, 47] и высокий выход годных приборов большой степени интеграции [48]. Известны два способа изготовления такой структуры. После вытравливания рисунка на каждом слое поликремния весь незащищенный затворный окисел стравливается с подложки, и новый окисел наращивается до той же толщины, что и под первым слоем поликремния, одновременно с окислением поликремния. Другой пособ отличается тем, что перед нанесением слоев поликремния затворный окисел защищается от воздействия окислительной среды слоем нитрида кремния. В этом случае все слои электродов лежат на затворном изоляторе, полученном в одном и том же процессе, и общее число высокотемпературных операций можно уменьшить, если для межслойной изоляции использовать окисел, образующийся при низкотемпературном окислении поликремния во влажном кислороде.

1.3.2 Структуры с четырьмя электродами на ячейку.

Если все электроды примерно одинакового размера лежат на затворном изоляторе примерно одинаковой толщины, то прибор с такой структурой может работать в четырехтактном режиме. В этом режиме используются четыре канала тактового питания; импульсы в каналах смещены по фазе на л/2. В таком случае обычно говорят о четырехтактном приборе.

Слой затворного изолятора изготовленными из второго слоя, может быть значительно толще чем под первым слоем электродов. В этом случае под электродами второго слоя возникнут естественные барьеры, и прибор сможет работать всего лишь с двумя каналами тактового питания, если электроды первого и второго слоя сгруппировать таким образом, чтобы получились два независимых набора электродов с встроенной однонаправленностью [34]. Прибор с такой конструкцией будет называться двухфазным. Поскольку электроды не обязательно объединять на самом кристалле, то подобная электродная структура позволила бы работать как в двухтактном так и четырехтактном режиме. В дальнейшем мы будем квалифицировать приборы по числу отдельно выведенных электродов в элементарной ячейке.

Для создания структуры с четырьмя электродами в ячейке требуются по два чередующихся набора электродов в обоих слоях металла. Для защиты канала от внешних воздействий электроды должны перекрываться по крайней мере на величину допустимого несовмещения R. Если ширина зазоров между электродами одного слоя близка к минимальной разрешимой величине F, то общая длина ячейки будет равна 4F+4R. Как отмечалось ранее, для получения высокого выхода годных приборов в качестве межслойной изоляции должен использоваться высококачественный, малопористый диэлектрик. Первые четырехфазные приборы имели два слоя перекрывающихся молибденовых электродов, изолированных слоем напыленной двуокиси кремния толщиной 100 нм [49, 50]. Хорошие результаты были получены с термически окисленными поликремневыми электродами в первом слое и алюминиевыми электродами во втором [51 - 53]. Эта структура интересна тем, что ее изготовление возможно на основе технологических процессов, широко используемых в полупроводниковой промышленности. Для получения электрически эквивалентных МОП-структур под всеми электродами используются два других способа изготовления четырех фазных структур. Электроды формируются из двух слоев поликремния, изолированных друг от друга термически выращенным окислом. Чтобы толщина подзатворного изолятора была одинакова под всеми электродами, можно использовать травление незащищенного окисла или защищать весь затворный окисел слоем нитрида кремния [54]. Другой способ состоит в формировании обоих слоев электродов из алюминия [43, 44].

1.3.3 Структуры с двумя электродами на ячейку.

Если в структуре с двумя слоями электродов одинаковым напряжением на электродах разных слоев соответствуют разные поверхностные потенциалы (например, из-за разной толщины затворного изолятора или различия величин работы выхода полупроводников), смежные электроды можно попарно подсоединить всего лишь к двум шинам тактового питания, т.е. сформировать структуру двухфазного прибора [40, 51, 52]. Затворный изолятор разной толщины можно легко получить, выполнив первый слой электродов из полкремния. Во время термического окисления таких электродов толщина слоя затворного окисла, не покрытого поликремнием, будет увеличиваться, что приведет к образованию потенциальных барьеров, в случае необходимости высоту этих барьеров можно увеличивать на несколько вольт с помощью ионной имплантации; ионную имплантацию можно выполнить так, чтобы области имплантации были самосовмещенными с поликремниевыми электродами [55, 56]. Если обе системы электродов находятся под одинаковым потенциалом, барьеры разделяют зарядовые пакеты в отдельных потенциальных ямах. Перенос заряда происходит лишь тогда когда системы электродов находятся под разными потенциалами и разность потенциалов такова, что потенциал ямы хранения становится меньше потенциала смежного барьера. Ступенька потенциала под асимметричными электродами и определяет однонаправленность переноса заряда. Заряд будет всегда скапливаться в более глубокой части потенциальной ямы, а барьер под толстым слоем окисла будет препятствовать перетеканию заряда назад. Таким образом, зарядовые пакеты могут двигаться лишь в одну сторону.

Если структура предназначена для работы в двухтактном режиме, то длину электрода хранения обычно увеличивают за счет уменьшения длины барьера, чтобы повысить управляющую способность структуры. Для обработки зарядовых пакетов длина барьера не играет роли, но она должна быть достаточной, чтобы высота барьеров существенно не уменьшается из-за краевых эффектов. Известно несколько путей создания асимметрии потенциальной ямы, необходимой для работы в двухтактном режиме. Чаще всего используют изолятор разной толщины или имплантированный барьер.

Двухфазную структуру с одним слоем металла и слоем окисла разной толщины можно сформировать с помощью технологического приема, называемого подрезкой изоляции. При напылении металла на крутые ступеньки окисла возникают разрывы, размеры которых можно увеличить с помощью подрезки двухслойного диэлектрика [40]. Толстый слой двуокиси кремния 400 нм) покрывается слоем окиси алюминия толщиной 100 нм. После литографии по слою окиси алюминия проводится контролируемое травление открытых участков слоя двуокиси кремния до толщины 100 нм; в этом процессе слой окиси алюминия служит маской. При вертикальном напылении слой металла разрывается на свисающих краях слоя окиси алюминия [40, 57]. Подобные выступы можно получить другими способами: травление канавок в окисленной кремниевой подложке [58] или использовать анизотропию травления таких материалов, как арсенид галлия [59]. Поскольку создание описанных структур не требует совмещения фотошаблонов, то минимальная длина ячейки структуры равна 4¥. Необходимые контакты между участками металла, лежащими на слое окисла разной толщины, можно создавать либо электролитическим нанесением золота через фоторезистивную маску [40], либо локальным травлением свисающих выступов до нанесения затворных электродов, что гарантирует покрытие ступенек диэлектрика металлом в требуемых местах [58].

Способ изготовления, непосредственно дающий необходимую конфигурацию, заключается в получении на слое окисла выступов с крутыми боковыми стенками; на такой ступенчатый слой окисла под косым углом напыляется слой металла [60], так чтобы одна сторона выступов окисла покрывается металлом, а на другой стороне выступов образуются разрывы. Этот способ был использован для построения десятиразрядного ПЗС на германии [61]. Такая структура требует, чтобы все регистры на пластине работали в одном направлении, что является недостатком при ее использовании в больших массивах и сложных устройствах. Металл можно нанести сплошным слоем; в этом случае для разделения электродов возле ступенек слоя окисла надо вытравливать зазоры. Для устранения явлений, наблюдавшихся на трехфазных приборах с незащищенными зазорами, необходимо принимать соответствующие меры. Для создания двухфазных структур можно также использовать сплошной слой поликремния, в котором электроды созданы путем селективного легирования.

Другой путь создания встроенной однонаправленности заключается в асимметричном расположении под электродами имплантированных барьеров [62, 63]. Преимущество имплантации состоит в возможности создать более высокий потенциальный барьер по сравнению с тем, который может быть достигнут благодаря ступеньке в слое окисла; кроме -^иото* i того, если имплантированный слой сконцентрирован недалеко от поверхности, высота барьера слабее зависит от потенциала, приложенного к электроду. Для создания ступеньки потенциала было предложено также [65] использовать встроенный в диэлектрик заряд, т.е. носители, захваченные на поверхности раздела нитрид-окисел МНОП-структуры [64]. Как и в вышеописанных двухфазных структурах, части электродов, создающие потенциальные ямы для хранения зарядов, должны занимать возможно большую часть площади электродов. Однако барьеры не должны быть слишком узкими, иначе их высота будет уменьшаться под влиянием краевых эффектов. Кроме того, имплантированные барьеры не должны простираться в зазор между электродами и препятствовать переносу. Поэтому барьеры должны отстоять от края электрода по меньшей мере на величену несовмещения. В этом случае некоторая часть носителей из зарядового пакета будет задерживаться барьером. Это вызывает уменьшение эффективности переноса заряда и увеличивает шум переноса. Минимальная длина ячейки такой структуры равна 6F+2R.

Для уменьшения размера ячейки, ослабления требований к совмещению барьеров с электродами и ширине зазоров, в зазорах можно создать проводящие п+-области, самосовмещенные с электродами переноса. Эти п+-области перекомпенсируют заходящие в зазоры части областей имплантации, создающих барьеры, и, таким образом, края областей барьеров будут совпадать с краями электродов. Обычно такую структуру называют ПЗС с омической связью или C4D (Conductively Conected CCD) [66]. В одной из модификаций структуры ПЗС с омической связью для обеспечения однонаправленности используются ступеньки слоя окисла [67, 68]. В обоих случаях размер ячейки можно уменьшить до 4F. Однако в реальных приборах длина барьера и длина ямы хранения каждого электрода должна быть, видимо, больше чем F/2. Кроме того, прибор с такой структурой имеет даже больший резервуар заряда, блокированного барьером, и поэтому ему присущи те же недостатки, что и приборам типа пожарных цепочек. С другой стороны, п+-области дают возможность легко создавать пассивные циркуляторы, ответвления регенераторы.

Следует также указать, что любой четырехфазный прибор может работать и в двухтактном режиме; необходимая для этого разность потенциалов между смежными электродами создается во внешней цепи смещением потенциалов тактовых импульсов [52, 69].

§ 1.4 Каналы переноса.

1.4.1. Боковое ограничение канала.

В предыдущем разделе рассматривалось строение электродной структуры вдоль направления переноса заряда; в настоящем разделе обсуждается строение электродной структуры поперек направления переноса. В реальных приборах канал переноса имеет конечную ширину. Конструкция предназначенная для бокового ограничения канала переноса, должна обеспечивать не только ограничение потенциальных ям, но и поддержание поверхности полупроводника по боковым сторонам канала в режиме обогащения, чтобы предотвратить неконтролируемый приток заряда в канал. Поставленной цели можно достичь с помощью одного или нескольких средств, а именно: с помощью областей стоп-диффузии или стоп-имплантации в области толстого слоя окисла или с помощью специального полевого электрода.

Области толстого слоя окисла можно применять для бокового ограничения канала в том случае, если пороговое напряжение структуры с толстым слоем окисла достаточно для того, чтобы не происходило обеднения поверхности полупроводника по боковым сторонам канала.

Ограничение канала толстым слоем окисла подходит для приборов, изготавливаемых на подложке n-типа с ориентацией [1 1 1]; при этом из-за встроенного в окисел заряда пороговое напряжение достигает 20 В. В настоящее время предпочтение отдается приборам с n-каналом, поскольку подвижность электронов выше, чем дырок. Для создания n-канальных ПЗС используются подложки р-типа с ориентацией [1 0 0], на который можно достичь низкой плотности поверхностных состояний и высокой эффективности переноса, однако окисел, выращенный на подложке указанного типа, не содержит встроенного отрицательного заряда. Кроме-того, толстый слой окисла слабо ограничивает канал - ширина последнего будет изменятся в зависимости от приложенного напряжения и величины заряда в ямах, особенно при высокоомной подложке. Изменение ширины канала может привести к ухудшению эффективности переноса из-за взаимодействия сигнального заряда с поверхностными состояниями вблизи краев электродов. Области стоп-диффузии жестче фиксируют поверхностный потенциал и таким образом, точнее задают границы канала. В идеальном случае области стоп-диффузии должны иметь относительно низкую концентрацию 1017 - 1018 см"3) и крутой профиль. Если степень легирования слишком велика, то там, где граница области стоп-диффузии достигает поверхности, может произойти пробой. Хорошо ограничивает канал конструкция, состоящая из толстого слоя окисла, расположенного вне канала переноса, и области стоп-имплантации небольшой концентрации, особенно если область стоп-имплантации самосовмещена с границей толстого слоя окисла, как при использовании технологического процесса LOCOS [70, 71].

Канал переноса можно ограничивать также с помощью полевого электрода, расположенного под краями электродов переноса; к полевому электроду надо прикладывать такое напряжение, чтобы поверхность полупроводника под ним находилась в режиме обогащения. Полевой электрод трудно применять для ограничения канала в реальных приборах из-за необходимости в дополнительных технологических операциях, а также потому, что возникает необходимость соединять части полевого электрода и источником питания.

1.4.2 Поверхностный и объемный каналы.

Локализацию канала переноса можно изменить и в перпендикулярном поверхности подложки направлении. Ранее уже был описан способ создания объемного канала [31, 33, 34]. Чтобы получить различные эксплуатационные характеристики приборов с объемным каналом, можно изменять глубину и концентрацию легирования канального слоя. Если приповерхностная область полупроводника легирована однородно, то потенциальный минимум для неосновных носителей находится у поверхности раздела полупроводник - изолятор, что характерно для приборов поверхностным каналом. Если же путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания создан слой, называемый канальным, тип проводимости которого противоположен типу проводимости подложки, а уровень легирования на порядок выше, то экстремум потенциала будет образовываться внутри канального слоя, в общем случае вдали от поверхностного раздела. Положение экстремума потенциала зависит от профиля легирования, приложенного к электроду напряжения и величины сигнального заряда. Поскольку в случае объемного канала сигнальный заряд находится значительно дальше от электродов, чем в ПЗС с поверхностным каналом, то управляющая способность ПЗС с объемным каналом меньше, и чем глубже канал, тем меньше управляющая способность. Чтобы ПЗС с объемным каналом обладал хорошей управляющей способностью, канальный слой должен иметь резкий профиль, для создания которого можно применить ионную имплантацию с дозой ~ 1*10 " см" . С другой стороны в высоко частотных устройствах весьма полезны краевые поля, которые увеличиваются при заглублении канала; для высокочастотных устройств оптимальная глубина канала равна примерно половине длины электрода [72]. Структура с глубоким каналом, содержащая эпитаксиальный слой толщиной 5 мкм, названа "перистальтическими" ПЗС [33]. Структуры, сочетающие достоинства и мелкого и глубокого каналов, содержат эпитаксиальный слой с невысоким уровнем легирования и тонкий высоколегированный слой, созданный посредством ионной имплантации. В этой структуре зарядовые пакеты большой величины располагаются недалеко от поверхности, а при малом количестве заряда потенциальный минимум смещается в глубь полупроводника. Поэтому приборы с такой структурой, названные профильными перистальтическими ПЗС [73], сочетают высокую управляющую способность с сильными краевыми полями, которые способствуют переносу последних долей зарядовых пакетов.

В объемном канале сигнальный заряд не соприкасается с поверхностью кремния, и изолятор теряет свою роль барьера, отделяющего носители зарядового пакета от управляющего электрода; его можно заменить р+-п-переходом, смещенным в обратном направлении или барьером Шоттки [74]. Замена слоя изолятора на р-п-переход или барьер Шоттки в приборах с объемным каналом дает те же преимущества, что и в приборах типа пожарных цепочек: большую скорость переноса, лучшую стабильность характеристик и возможность работы при низких значениях амплитуды тактовых импульсов. Кроме того, для ПЗС с объемным каналом и р-п-переходом или барьером Шоттки можно использовать материалы, на которых трудно создать высококачественную МОП структуру. Этот фактор может стать важным при разработке приемников ИК-изображения на полупроводниках с узкой запрещенной зоной, например на германии, или высокочастотных приборов на материалах с большой подвижностью носителей, например на арсениде галлия.

Для создания ПЗС с объемным каналом можно применять любую электродную структуру, которая дает полностью защищенный канал. Двухфазные структуры с имплантированными барьерами или с постоянным смещением потенциалов тактовых импульсов будут переносить заряд в объемном канале в том же направлении, что и в поверхностном канале. Однако в отличии от поверхностного канала в объемном канале на участках с более толстым слоем окисла возникают более глубокие потенциальные ямы. Поэтому если однонаправленность создается ступенчатым слоем окисла, то в объемном канале зарядовые пакеты будут переносится в направлении, противоположном направлению переноса в поверхностном [75, 76]. По этой же причине электродные структуры с незащищенными межэлектродными зазорами малопригодны для приборов с объемным каналом [77, 78]. Под зазорами могут формироваться глубокие потенциальные "карманы", ухудшающие эффективность переноса. Чтобы не допустить формирования потенциальных карманов под незащищенным межэлектродными зазорами, можно использовать дополнительную операцию ионной имплантации, с помощью которой создается самосовмещенные с зазорами области, глубина которых невелика, а тип проводимости совпадает с типом проводимости подложки [79]. Области имплантации смыкаются с областью стоп-диффузии, которая ограничивает область канала; по существу области имплантации представляют собой проводящие пластины, поддерживающие в зазорах нулевой поверхностный потенциал. Однако в этом случае поверхностный потенциал под электродами переноса нельзя сделать ниже поверхностного потенциала в зазорах, поскольку поверхностный потенциал под электродами переноса ограничен инжекцией носителей заряда из участков, ограничивающих область канала. Для обеспечения полного переноса заряда необходимо добавить еще одну операцию ионной имплантации, с помощью которой поверхностный потенциал в зазорах смещается соответствующим образом. Существует другой способ обеспечения полного переноса заряда [79]: в зазорах создается экранированный объемный канал, а под электродами -поверхностный канал, тогда из областей объемного канала под зазорами носители могут перетекать в более глубокие потенциальные ямы под электродами.

Часто в ПЗС с объемным каналом электроды выполнены из селективно легированного слоя поликремния [42, 56, 80, 81]. Селективно легированный слой поликремния можно применять в структурах как с встроенной однонаправленностью, так и без нее. Если барьеры формируются ионной имплантацией, то направление переноса заряда остается тем же самым, что и в приборах с поверхностным каналом.

Выбор поверхностного или объемного канала определяется главным образом характеристиками, которые должен иметь прибор. Хотя в приборах с поверхностным каналом в режиме непустого нуля удавалось добиться низкой неэффективности переноса, приборы с объемным каналом в общем случае лучше работают при малых уровнях сигнала и имеют меньший шум переноса. Кроме того, при заданных размерах электродов приборы с объемным каналом могут работать на более высоких частотах. С другой стороны, изготовление приборов с объемным каналом связано с дополнительными технологическими операциями; в ПЗС с объемным каналом труднее получить такие темновые токи, как в приборах с поверхностным каналом [82].

§1.5 Устройства ввода и вывода.

Приборы с зарядовой связью, предназначенные для практического использования, должны быть снабжены устройствами, позволяющими вводить и удалять сигнальные зарядовые пакеты. В потенциальных ямах заряд может накапливаться из-за темнового тока, фотоэлектрической генерации и электрической инжекции носителей, однако управляемы лишь фотоэлектрическая генерация и электрическая инжекция, которые и можно использовать для введения зарядовых пакетов. Генерация заряда фотоносителями является доминирующим источником неосновных носителей заряда в приемниках изображения. Способ электрического ввода заключается в преобразовании сигнального напряжения или тока в зарядовый пакет эквивалентной величины, и обратный процесс измерения величины зарядовых пакетов на выходе прибора. Комбинации способов ввода и вывода используются для генерации сигнала.

1.5.1 Инжекция зарядовых пакетов.

В канал переноса ППЗ заряд обычно инжектируется из специального входного диода, хотя в первых лабораторных опытах неосновные носители генерировались посредством локального лавинного пробоя под одним из электродов переноса [26]. Простейший способ электрического ввода заряда заключается в том, что сигнал подается на входной диод ГО, а к входному затвору Ю, который представляет собой первый отдельно выведенный электрод переноса, прикладывается постоянный потенциал. В этом случае величина входного сигнала отсчитывается от потенциала входного затвора. Можно сделать и наоборот, т.е. входной сигнал подавать на входной затвор, а к входному диоду прикладывать постоянный потенциал. При использовании этих способов ввода заряда, называемых динамической инжекцией, величина инжектированного заряда нелинейно связана с входным напряжением, зависит от порогового напряжения входного затвора и от длительности промежутка времени, отведенного для инжекции, и таким образом, от тактовой частоты.

В ряде случаев, особенно при обработке аналоговых сигналов, необходима линейная инжекция заряда с низким уровнем шума и стабильными характеристиками. Поэтому были предложены способы ввода заряда с лучшими, чем у динамической инжекции свойствами. В одном из них напряжение сигнала подается на входной диод, входной затвор открыт, и потенциальная яма под первым из регулярных электродов переноса заполняется до соответствующего сигналу уровня.входной диод, входной затвор открыт, и потенциальная яма под первым из регулярных электродов переноса заполняется до соответствующего сигналу уровня. После этого входной затвор закрывается, и таким образом зарядовый пакет под электродом изолируется от входного диода, прежде чем зарядовый пакет будет перенесен под следующий электрод. Напряжение входного сигнала может достигать амплитуды тактовых импульсов [83]. Этот способ ввода называется отсечкой диода [84]. В описанном способе величина зарядового пакета нелинейным способом зависит от напряжения входного сигнала из-за изменения емкости обедненного слоя потенциальной ямы, в которой формируется зарядовый пакет. Нелинейность можно несколько уменьшить, если входной сигнал подавать на второй входной затвор, расположенный на месте первого электрода. В этом случае яма под ним заполняется всегда до одного и того же уровня, задаваемого потенциалом на входном диоде, и зависимость величины зарядового пакета от напряжения входного сигнала становится более линейной.

Значительно более линейную зависимость величины зарядового пакета от напряжения входного сигнала и меньший уровень шума можно получить при вводе заряда способом уравнивания потенциалов, который называют также способом заливки и сброса и способом предзарядки [85 -88]. Во всех вариантах исполнения этого способа входной сигнал представляет собой разность потенциалов двух первых электродов переноса, причем зарядовый пакет формируется в потенциальной яме под вторым электродом; емкость ямы связана с напряжением входного сигнала. К входному диоду прикладывают импульсы, необходимые для того, чтобы сначала переполнить потенциальную яму под вторым электродом, а затем отсосать из нее избыток заряда до уровня, который определяется потенциальным барьером под первым электродом.

В простейшем варианте исполнения [86, 88] сигнал подается на единственный входной затвор, а зарядовый пакет формируется в потенциально яме под первым регулярным электродом переноса. В то время когда первый электрод переноса включен, на входной диод подается импульс смягчающий его до низкого потенциала, чтобы проходила инжекция заряда в потенциальную яму под электродом через потенциальный барьер под входным затвором. Величина зарядового пакета определяется площадью электрода, под которым формируется зарядовый пакет, и разностью потенциалов между электродом переноса и входным диодом, но не зависит от уровня легирования подложки и емкости обедненного слоя.

В другом варианте исполнения [84, 89, 90, 91] к первому затвору прикладывается низкий постоянный потенциал, а входной сигнал подается на второй затвор, в потенциальной яме под которым формируется зарядовый пакет. В этом случае формирование зарядового пакета заканчивается всегда при одном и том же значении поверхностного потенциала, и краевые поля или неоднородности слоя окисла под барьерным электродом неизменным образом влияют на величину зарядового пакета. Если потенциал электрода, на который подается сигнал, меньше чем Ук+Ур/2, то при включении соответствующей фазы тактового питания все носители перетекут под следующий электрод переноса. В этом варианте способа уравнивания потенциалов на электрод, под которым формируются зарядовые пакеты, не подаются импульсы, что существенно снижает уровень шума. Площадь затвора, под которым формируется зарядовый пакет, и площади следующих двух электродов переноса должны быть по крайней мере в два раза больше, чем площади остальных электродов переноса, для того чтобы управляющая способность входной цепи была не меньше, чем управляющая способность остальной части прибора. Следует отметить возможность формирования зарядовых пакетов дополнительной друг к другу величины способом уравнивания потенциалов.

Для обработки аналоговых сигналов лучше всего пригоден последний вариант способа уравнивания потенциалов, поскольку он имеет хорошую линейность и низкий уровень шума, о чем можно судить по экспериментальным результатам.

Способ уравнивания потенциалов чувствителен не к самой величине порогового напряжения, а к разности пороговых напряжений смежных электродов. Взаимозаменяемость приборов с вводом заряда способом уравнивания потенциалов ограничивается разбросом пороговых напряжений смежных электродов. Из одного или нескольких слоев проводника. По этой же причине в приборах с несколькими параллельными входами, например, в мультиплексорах, будет возникать постоянный геометрический шум. Чтобы устранить этот вредный эффект, напряжения, определяющие величину формируемого зарядового пакета, должны последовательно подаваться на один и то же электрод [92]. Потенциальная яма под электродом, в которой формируется зарядовый пакет, при помощи импульсного смещения входного диода до низкого и обратно до высокого потенциала сначало переполняется, а затем опустошается до уровня, определяемого поверхностным потенциалом под электродом. Во время это операции входной затвор в канале переноса закрыт. А к электроду приложено опорное напряжение. Затем стоковый затвор закрывается, а входной затвор открывается. Поскольку при этом электрод подключается к более высокому потенциалу, то некоторое количество заряда перетекает из потенциальной ямы под электродом в потенциальную яму под первым электродом переноса. Количество перетекшего заряда определяется разностью этих потенциалов и емкостью электрода, но не зависит от порогового напряжения. В предварительных экспериментах, проведенных на структуре с зазорами между электродами [92], при применении описанного способа подавления влияния разброса пороговых напряжений величина геометрического шума десятивходового мультиплексора уменьшается на порядок.

1.5.2 Детектирование зарядовых пакетов.

В первых лабораторных опытах [26] переданный по регистру ПЗС зарядовый пакет сбрасывался в подложку путем смещения электрода в режим обогащения, и выходной сигнал представлял собой в цепи подложки. Этот способ считывания величины зарядовых пакетов имеет очевидные ограничения: с его помощью в некоторый момент времени можно считывать только один сигнал на кристалле, и, коме того, период повторения сигналов должен быть не меньше времени рекомбинации неосновных носителей в подложке. В настоящее время применяются локализованные выходные цепи различной степени сложности, позволяющие с хорошей точность считывать величины сравнительно небольших зарядовых пакетов и не вносящие в сигнал избыточного шума.

В первых образцах ПЗС использовалась токовая выходная цепь; зарядовые пакеты обнаруживались с помощью специального выходного диода и расположенного вне кристалла предусилителя с токовым входом.

Обратная связь по току обеспечивала низкий входной импеданс, и выходной диод поддерживался при постоянном потенциале. Применение токовой выходной цепи совместно с фильтром нижних частот или со стробируемым инегратором давало очень хорошую линейность, но выводы корпуса вносили избыточную емкость порядка нескольких пикофарад.

Первым шагом на пути создания интегрального предусилителя и резкого уменьшения паразитных емкостей было добавление активного и разрядного МОП - транзисторов. Для выходной цепи с активным и разрядным транзисторами предпочтителен режим стробируемого интегратора [52, 53], при котором величина выходного сигнала достигает нескольких вольт. В одном извариантов такой цепи считывающий диод расположен под одним из электродов переноса, на котрый передаются изменения поверхностного потенциала, обусловленные величиной зарядовых пакетов. Считывающий диод должен присоединяться к усилителю с большим импедансом, например к затвору МОП-транзистора. Разрядный ключ в стробируемом интеграторе, устанавливающий определенное значение потенциала детектирующего узла перед каждым измерением величины зарядового пакета, вносит определенный шум, который можно подавить, применив двойную коррелированную выборку [93].

Вместо считывающего диода можно применить плавающий затвор, расположенный над каналом переноса; величина зарядового пакета считывается по электростатическому напряжению на плавающем затворе. Поскольку плавающий затвор не имеет определенной связи с землей по постоянному току, потенциал плавающего затвора необходимо устанавливать либо специальным ключом [50], либо емкостным способом с помощью электрода с постоянным смещением [94]. Усилитель с плавающим затвором можно сделать очень компактным, с малой входной чувствительностью и, таким образом, обеспечить высокую чувствительность большую величину отношения сигнал/шум. Так как при считывании величины зарядового пакета с помощью усилителя с плавающим затвором зарядовый пакет не разрушается, то его величину можно считать несколько раз, пропуская зарядовый пакет под плавающими затворами нескольких усилителей. Если выходные сигналы усилителей сложить, учитывая сдвиг фаз между ними, то отношение сигнал/шум увеличивается как корень квадратный из числа усилителей. По описанному принципу работаем распределенный усилитель [94, 96]. Удобнее всего выходы усилителей с плавающими затворами соединить со сдвиговым регистров на ПЗС с большей площадью электродов. Распределенный усилитель с плавающими затворами применылся в приемнике изображения, содержащем 190*244 элементов [97]. Распределенный усилитель состоял из входного регистра, набора из двенадцати аналоговых регенераторов с плавающими затворами, двенадцатиразрядного выходного регистра с широким каналом и выходного усилителя с плавающим затвором, работающего в режиме стробируемого интегратора. Оба регистра были четырехфазными и питались одними и теми же тактовыми импульсами.

Плавающие затворы в распределенном усилителе соединены с входными затворами устройств ввода заряда в выходной регистр, работающими в режиме динамической инжекции. Когда в выходном регистре зарядовый пакет находится под плавающим затвором, на определенное время открывается управляющий затвор и в потенциальную яму под электродом выходного регистра течет ток, величина которого зависит от потенциала плавающего затвора. Усилитель является инвертирующим, поскольку при большом зарядовом пакете течет меньший ток. Выходной регистр должен иметь электроды такой площади, чтобы он мог обрабатывать зарядовые пакеты максимальной величины, накапливающиеся от всех двенадцати усилителей. Следовательно, при заданном режиме работы усилителей ширина канала выходного регистра должна увеличиваться пропорционально числу усилителей. Преимущество описанной выходной цепи заключается в том, что ее можно выполнить на одном кристалле.

1.5.3 Регенерация.

Информация, проходя в виде зарядовых пакетов по прибору с зарядовой связью, постепенно деградирует из-за темнового тока и неэффективности переноса. Чтобы время хранения информации в ПЗС не ограничивалось временем темновой релаксации потенциальных ям, информацию нужно периодически регенерировать. Это легко сделать, если информация представлена в бинарной форме, считывая величину зарядового пакета и сравнивая ее с заданным уровнем. Если величина пакета превосходит заданный уровень, то в следующую секцию инжектируется зарядовый пакет полного размера.

Принцип построения простого и компактного инвертирующего бинарного регенератора следующий. Изменение поверхностного потенциала, обусловленное приходом зарядового пакета, считывается с помощью диффузионной области, расположенной под одним из электродов переноса. Диффузионная область соединена с входным затвором устройства ввода заряда в соседний канал. Когда к диффузионной области приходит 0, т.е. пустая потенциальная яма, ее потенциал достигает наибольшей положительной для п-канальных приборов величины; входной затвор открывается и во второй канал вводится зарядовый пакет. Если к диффузионной области приходит зарядовый пакет достаточной величины, то потенциал входного затвора снижается ниже задаваемого напряжением на входном диоде уровня, и во второй канал заряд не вводится.

Разнообразные инвертирующие и не инвертирующие бинарные регенераторы можно получить, комбинируя различные способы считывания и ввода заряда, описанные в двух предыдущих разделах [51, 98, 99, 100, 101]. Если простой регенератор применить в приборе с узким каналом, то на работу регенератора большое влияние будет оказывать паразитная емкость, и чувствительность регенератора к заряду уменьшиться. Уменьшение чувствительности регенератора сужает диапазон допустимых напряжений входного диода. Эту трудность можно обойти с помощью балансного бистабильного детектора, который использовался в ЗУ с произвольной выборкой.

Для считывания и регенерации цифровой информации, закодированной несколькими дискретными величинами зарядовых пакетов, требуются более сложные цепи. При рециркуляции чисто аналоговой информации на стабильность линейность и другие характеристики всех цепей налагаются такие жесткие требования, что их нет смысла рассматривать, исключая лишь случай очень небольшого числа рециркуляций. В лабораторных опытах сигнал, вырабатываемый двумерным приемником изображения на ПЗС, рециркулировал по прибору три-четыре раза, чем была продемонстрирована возможность выделения изображений движущихся объектов или вычитания темновых токов [102]. Для достижения большей точности при определении эффективности переноса в коротких сдвиговых регистрах применялась более чем стократная рециркуляция группы импульсных сигналов [103]; в рекурсивных фильтрах выполнялось интегрирование.

1.5.4 Соединение и разветвление каналов.

В сложении зарядовых пакетов из разных каналов в одну потенциальную яму и последующем переносе суммарного зарядового пакета принципиальных трудностей нет. Однако если такое сложение должно происходить при высокой тактовой частоте, то размеры электродов в направлении переноса заряда должны быть достаточно малыми во всех ячейках. Эта задача решена путем постепенного сближения каналов на несколько ячеек переноса [104]. В этом случае смещение зарядовых пакетов на ширину канала переноса происходит за несколько периодов тактового питания. Разработан прибор с несколькими аналогичными входами [114].

Устройство можно применить для разделения зарядовых пакетов на две части, если перенос заряда производить в обратном направлении. Отношение частей, получаемых в результате деления, будет определяться положением начала делителя на канале. Точность деления зарядовых пакетов таким способом будет, конечно, зависеть от однородности поверхностного потенциала под электродами переноса.

Выборочное извлечение зарядовых пакетов из каналов переноса при высокой тактовой частоте осуществляется с помощью дополнительного затвора переноса. Когда он закрыт, все зарядовые пакеты будут оставаться в главном канале. Если же затвор переноса открыт, а в выходной регистр работает при большей, чем в главном канале, амплитуде тактовых импульсов, то зарядовые пакеты через боковые каналы будут перетекать в выходной регистр. Перетекание происходит параллельно по всем таким каналам и заряд, не перетекший через первый канал, может перетечь через следующие. Поскольку оба канала питаются синхронными тактовыми импульсами, данный способ извлечения зарядовых пакетов не будет вносить в сигнал фазовых искажений.

Устройства, рассмотренные в этом разделе, применяются для обработки специальных сигналов, а также в высокочастотных цепях мультиплексирования и демультиплексирования. Работа описанных устройств проверялась в специальных кольцевых регистрах на ПЗС с рециркуляцией [113].

Глава 2. Процессы переноса заряда в спектрозональных фоточувствительных двухканальных объемных приборах с зарядовой связью.

В данной главе и работах [107, 108] проведены экспериментальные исследования электрических характеристик линейного двухканального объемного ПЗС (ОПЗС), имеющего поверхностный канал п-типа проводимости и объемный канал р-типа проводимости, которые расположены один над другим. Прибор имеет шестнадцать элементов разложения.

Применена четырехтактовая временная диаграмма управляющих импульсов напряжений, обеспечивающая одновременный встречный перенос пакетов зарядов по соответствующим каналам.

Предложен метод удержания электронов в поверхностном канале посредством подачи постоянного отрицательного напряжения величиной ~ - 10.5 ч- - 11 В на дополнительные боковые электроды. Амплитуда отрицательных управляющих импульсов напряжения изменяется в диапазоне 0 4- 20 В. При этом эффективность переноса зарядов в обоих каналах составила 99.76 % на частоте 75 кГц.

Фотоэлектрическими измерениями установлены существенно различные спектрозональные характеристики фоточувствительностей каналов ОПЗС. Максимальная фоточувствительность n-канала приходится на длину волны -0.73 мкм

В целом экспериментально показана принципиальная возможность создания спектрозонального фотопреобразователя на двухканальных ОПЗС.

Известны разработки спектрозональных фотопреобразователей, основанные на применении либо нескольких одиночных кристаллов ПЗС, либо интерференционных мозаичных оптических фильтров, сформированных непосредственно на поверхности однокристального ПЗС фотопреобразователя . Приборы с зарядовой связью, содержащие несколько объемных информационных каналов (ОПЗС), расположенных друг над другом в толще полупроводника, в силу своей компактности и надежности могут быть перспективными для разработки на их основе спектрозональных фотопреобразователей изображения. В работах по расчету электрических характеристик ОПЗС указывается, что максимальная величина пакетов, переносимых в каждом канале зарядов, становиться меньше, чем "глубже он погружен" в полупроводниковую подложку относительно поверхностного диэлектрического слоя. Для приближенных оценок величин поверхностной концентрации указанных пакетов зарядов применимо соотношение: о< .(1)

Здесь с/р, е, 8с/ -соответственно диэлектрические проницаемости материалов подложки и диэлектрического слоя; £0-диэлектрическая проницаемость вакуума, Ь - толщина полупроводникового слоя каждого объемного канала, ¿/о - толщина диэлектрика, <? - заряд электрона, АК-перепад уровней напряжений на соседних управляющих электродах ОПЗС в режиме накопления зарядов, т -число объемных каналов одноименного типа проводимости (т= 1, 3, 5.).

Выберем следующие параметры ОПЗС: в = 11,8 (кремний), Ь = 1х10"4см, </= 6x10"5 см, АК= 10 В. Тогда из соотношения (1) получаем, что при ш = 1, £>1 < 5,4x10" см"2, а при т = 3, £>3 ~ 0,3 х & = 1,66 х 10п см"2.

Таким же образом можно предположить, что создавать ОПЗС с числом объемных каналов больше трех нецелесообразно, в силу существенного уменьшения динамического диапазона прибора.

В качестве экспериментальной реализации ОПЗС, был создан и исследован прибор, содержащий один поверхностный и один объемный каналы. Основное внимание обращено на исследование режима одновременного переноса зарядов в каналах четырехтактной временной диаграммы управления, исследованы также фотоэлектрические характеристики прибора.

§ 2.2 Физическая модель. Анализ процессов фоторелаксации в двухканальной объемной структуре на основе приборов с зарядовой связью.

Конструкция двухканальных объемных приборов с зарядовой связью (ОПЗС) аналогична традиционным одноканальным приборам с зарядовой связью (ПЗС) со скрытым каналом, при этом она кроме поверхностного скрытого канала р-типа дополнительно содержит скрытый канал п-типа внутри полупроводниковой подложки. Прикладывая отрицательное напряжение к р-слою относительно подложки можно удалить все равновесные основные носители - дырки. Сформированный таким образом пространственный заряд в обедненном р- канале и соседних областях подложки создает распределение с образованием минимума для дырок внутри р-слоя (рис. 1). С физической точки зрения это эквивалентно формированию объемного канала внутри р-слоя для накопления и переноса дырок. Граница между р-каналом и поверхностным п-каналом формируется за счет подачи управляющих напряжений на электроды расположенные над р-каналом и отделенные от него слоем диэлектрика.

Рис. 1. Распределение потенциала в двухканальном объемном приборе с зарядовой связью:

1, 4 -при отсутствии носителей заряда;

2 - при наличии подвижных дырок с концентрацией в объемном канале

3 - при наличии подвижных электронов с концентрацией С)п в поверхностном канале.

Ф,В Р п

-м- -г, мкм

В обычных приборах с зарядовой связью со скрытым р-каналом электроны в поверхностном канале, являясь неосновным носителями в обедненном р-слое удаляются через боковые границы в полупроводниковую подложку п-типа. Но путем формирования бокового барьера для электронов в поверхностном канале за счет подачи отрицательного потенциала на продольные боковые электроды электроны могут быть удержаны в поверхностном канале. Таким образом прибор с зарядовой связью со скрытым каналом становиться двухканальным прибором с зарядовой связью, в котором поверхностный канал расположен над объемным каналом. Прикладывая импульсное напряжение к управляющим электродам прибора с зарядовой связью можно обеспечить процесс переноса электронов и дырок вдоль соответствующих каналов р-типа (объемного канала) и п-типа (поверхностного канала). Для конкретизации работы устройства рассмотрим четырехфазное импульсное тактовое питание управляющих электродов обеспечивающих перенос носителей заряда вдоль поверхностного и объемного каналов в противоположных направлениях. Обозначим соответствующее напряжение тактового питания на управляющих электродах: ¥н - нижнее, Уср1 - среднее 1, Уср2 - среднее 2, Ув - верхнее. Когда информация вводится в объемные каналы за счет оптического воздействия, фотоносители разъединяются за счет внутреннего электрического поля, и, таким образом, фотоэлектроны и дырки накапливаются внутри соответствующих каналов под управляющими электродами с максимальным и минимальным уровнями напряжения соответственно. На рис. 2 изображено схематичное распределение максимума поверхностного потенциала вдоль п-канала и минимума потенциала вдоль р-канала в режиме накопления фотоносителей.

Рис. 2. Распределение вдоль управляющих электродов минимумов объемного потенциала <p р min в объемном р-канале и максимумов поверхностного потенциала ср n тах в поверхностном п-канале.

- Ф

3 4(VB) \(VH) 2(Fcpl) 3(Vcp2) 4 1 фр min

Ф © ® © ©

Фз

•в e © © e © X

В работе была получена система уравнений для рассматриваемого двухканального объемного прибора с зарядовой связью в оптическом диапазоне длин волн. Система двух нелинейных дифференциальных уравнений описывающих процессы фоторелаксации в объемных каналах двухканальной структуры на основе приборов с зарядовой связью имеет вид: X{З - ехр(-к)[схр(ак1У| + к£,) + ехр(аки>9)+ехр(аки'3)] }, (1) йх

- 3 - К '[ехр(- ки^)+ ехр(- )+ ехр(- ки>3)]}, (2) с!т { 1 + у ] где

1 = 1,2,3 ; к = к£ ; у = к(ьр/ь); = ¿/I. (3)

Для упрощения расчетов сделано предположение Кр=Кр2~Кр

В выражениях (1), (2) и (3) все величины представлены в безразмерном виде. При проведении теоретических расчетов использованы экспериментальные данные из работы [106] по внутреннему оптическому в поглощению в кристаллах кремния при 300° К; где ц и \ - концентрации накопленных носителей в поверхностном и объемном каналах соответственно; т- время; w\, л\>ъ Щ ~ величины размеров объемных областей в подложке под электродами с соответствующими уровнями напряжения; X и к - длина волны и коэффициент поглощения оптического излучения соответственно; Х0 - заданная длина волны; Ьр - диффузная длина дырок в п-подложке; Ь - толщина диэлектрика и расположенного под ним слоя р-типа соответственно.

Уравнения (1) описывает процесс фоторелаксации в поверхностном канале, а уравнение (2) описывает процесс фоторелаксации в объемном канале (при этом учитывается диффузионная составляющая фотона и подложки).

Были использованы следующие граничные условия: при х=0,

4)

5) прит=та, м;2= н^з, ч>2= где т - время фоторелаксации носителей в канале. Условия (4) и (5) предполагают, что поверхностный и объемный каналы не перекрываются.

В уравнения (1), (2) и (3) не учитывается тепловая генерация носителей тока, так как предполагается, что время тепловой генерации много больше времени фоторелаксации в каналах, что обычно имеет место в приборах с зарядовой связью.

Для нахождения фоточувствительностей каналов были введены следующие соотношения:

Уравнения (1),(2) и (3) не могут быть решены аналитически, поэтому были получены численные решения с использованием компьютера. При этом были использованы следующие величины технологических и конструктивных параметров и уровней управляющих напряжений: ¿/=0,15 мкм, 1=Ъ мкм, 1-10 мкм, N=7x10"15 см"3, а=0,1, Гв= -20 В, Уср= -10 В, Уи=О В и ^0=0,4 мкм.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для кремния взята из работы [106].

Функциональная зависимость X) и X) были рассчитаны. В результате проведенных исследований было установлено, что увеличением длины волны излучения от 0,4 до 1,1 мкм число фотоэлектронов ¡л( X)

6) дко накопленных в поверхностном канале под электродом с напряжением У=УН монотонно уменьшается. Это может быть обусловлено изменением коэффициента поглощения или увеличением глубины эффективного поглощения, которая обратно пропорционально зависит от данного коэффициента. Что касается поверхностного канала, то частичное уменьшение ширины р-слоя в котором накапливаются фотоэлектроны сравнительно мала и изменяется только в приделах от минимального значения потенциала для дырок до минимального значения потенциала вблизи слоя диэлектрика, толщина слоя диэлектрика в рассмотренных случаях не превышала 2 мкм. Для дырок в объемном канале, накапливаемых под электродом с напряжением У=УВ, максимальный размер накопленного фотозаряда определялся суммой размера величины уменьшения р-слоя, область объемного заряда в п-подложке, и длинной дрейфа дырок в подложке. Суммарная величина достигала 23 мкм и была достаточно большой. Таким образом, как было установлено, зависимость X) резко уменьшается только для длин волн превышающих 0,9 мкм. Следовательно, объемный канал обладает большей интегральной фоточувствительностью по сравнению с поверхностным каналом. Таким образом, находя средние значения X) и £,( X) в рассматриваемом диапазоне длин волн было показано, что полная концентрация фотодырок, накопленных в течении времени релаксации в обоих каналах в два раза больше накопленной

11 2 концентрации электронов и составляет 1,5 х10 см" . В результате большей фоточувствительности объемного канала, полное время фоторелаксации накопленных носителей в обоих каналах определяется временем фоторелаксации объемного канала.

Проведенные расчеты показали, что в диапазоне длин волн от 0,4 мкм до 0,9 мкм типичные времена фоторелаксации достигают 0,5 мс. Для больших длин волн время фоторелаксации резко возрастает.

Рис. 3. Зависимость поверхностной концентрации фото дырок в объемном канале в зависимости от времени накопления для различных длин волн X (в микронах) поглощаемого излучения: 1 - 0.64; 2 - 0.76; 3 - 0.6; 4 -0.5; 5-0.4; 6-0.96; 7- 1.0.

В работе была исследована динамика накопления фотоносителей в обоих каналах и изучены зависимости ц,=ц(а) и £,=£,( X) для различных длин волн. Полученные результаты показали, что они обладают устойчивыми линейными характеристикам, что обеспечивает возможность использование прибора с зарядовой связью в качестве аналогового видеоприемника (рис. 3). Рассчитанные спектральные фоточувствительности каналов подтверждают, что объемный канал обладает большей фоточувствительностью по сравнению с поверхностным каналом при этом максимумы спектральных фоточувствительностей объемного и поверхностного канала сдвинуты друг относительно друга в спектральном оптическом диапазоне.

§ 2.3 Конструкция и электрические характеристики ОПЗС.

Исследованный ОПЗС представляет собой четырехтактный линейный ПЗС, имеющий по шестнадцать элементов разложения как в поверхностном, так и в объемном каналах. При этом на каждый элемент разложения приходится по четыре тактовых электрода.

Продольный и поперечный разрезы конструкции ОПЗС схематически представлены соответственно на рис.4 а, б. В подложке кремния п-типа проводимости с удельным сопротивлением 10^- 15 Ом-см расположен слой р-типа проводимости толщиной (2 -ь 3) х 10"4 см, созданный ионной имплантацией бора и имеющий среднюю концентрацию легирующей примеси (5 т 7) х 1015 см"3. Перекрывающиеся управляющие электроды ОПЗС изготовлены из поликремния и алюминия. Длина электродов в направлении переноса зарядов 30 мкм, а ширина -200 мкм. Подэлектродный диэлектрический слой представляет собой сэндвич из слоя двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм и слоя нитрида кремния толщиной 0,04 мкм. С целью удержания электронов в поверхностном канале были созданы дополнительные продольные боковые электроды из поликремния

Рис.4 Схематическое изображение конструкции ОПЗС с поверхностным п-каналом и объемным р-каналом (продольный -а и поперечный -б разрезы): 1-полупроводниковая подложка п-типа; 2 - полупроводниковый слой р-типа; 3 - плавающий электрод; 4 - тактовые электроды, 5 - 6 - боковые электроды из поликремния; 7-область стоп-диффузии. расположенные по границе р-слоя и п-подложки (рис.4 б). Прибор содержит также в слое р-типа сильнолегированные п+ - и р+ -области, которые предназначены для вывода из каналов переносимых пакетов электродов и дырок. При работе двухканального ОПЗС на п+- область подается положительное, а на р+ -область - отрицательное постоянные напряжения соответствующих величин. К управляющим электродам прикладываются отрицательные управляющие импульсы напряжения по четырехфазной тактовой временной диаграмме изображенные на рис. 5. В этом случае осуществляется одновременный перенос электронов по поверхностному каналу, а дырок - по объемному каналу в противоположных направлениях, что существенно упрощает конструкции выходных устройств для каждого канала. Причем на нечетные управляющие электроды подаются импульсы напряжения, амплитуда которых может изменяться от нижнего уровня (Ун ) до среднего (Уср). На четных электродах амплитуда импульсов напряжения может изменяться от среднего уровня до верхнего (Гв ). Для исследуемого ОПЗС нижний и верхний уровни напряжения были выбраны равными соответственно О В и -20 В. Величина среднего уровня управляющего напряжения определялась оптимальным режимом работы прибора и, как правило, выбиралась в диапазоне - 12 В < Уср< - 8 В.

При работе ОПЗС в результате обеднения слоя р-типа основными носителями и возникновения в нем вдоль оси ъ рельефа потенциала образуется поверхностный канал электронной проводимости, а также объемный канал дырочной проводимости, расположенные друг под другом. Ввод зарядов в каналы выполняется оптическим способом с помощью оптического зонда.

Пакеты дырок перемещаются к р+-области и считываются подключенным к ней истоковым повторителем на основе МДП транзисторов с индуцированным р-каналом. С помощью внешних напряжений выбирается

Рис. 5. Временная диаграмма управляющих импульсов напряжения фаз Б1-Р4 в четырехтактном ОПЗС (V1<V2<V3<V4). режим работы указанного повторителя, так что его выходное напряжение было пропорционально величине считываемого пакета зарядов.

В традиционных ПЗС с единственным объемным каналом р-типа электроны, являясь неосновными носителями заряда для слоя р-типа проводимости, покидают его через боковые границы (т.е. р-п переход ) и уходят в подложку п -типа проводимости. Однако, если в рассматриваемой конструкции ОПЗС приложить к боковым электродам постоянное отрицательное напряжение определенной величины то электроны не уйдут из слоя р-типа, и будут удерживаться управляющими токовыми импульсами напряжения к выходной п+-области, которой они поглощаются. Считывание заряда пакетов электронов осуществляется посредством "плавающего" электрода, расположенного на диэлектрике перед п+-областью и подключенного, в свою очередь, ко второму истоковому повторителю на основе МДП транзисторов.

Принципиальным моментом в работе рассматриваемого ОПЗС является удержание электронов в поверхностном канале с помощью напряжения ¥б на боковых электродах. Поэтому были исследованы зависимости выходных видеосигналов из обоих каналов и эффективностей переноса зарядов в них от величины этого напряжения. Измерения показали, что выходные видеосигналы существенно зависят от величины напряжения У6. Например, как представлено на рис. 6, для среднего уровня тактового управляющего напряжения, равного - 8 В, электроны удерживаются в поверхностном канале если только | Уб | > 9 В, т.е. когда абсолютная величина "бокового" напряжения превосходит несколько абсолютную величину среднего управляющего уровня на тактовых электродах (|Рб| > \ Уср\). Однако при этом начинает уменьшаться количество фотодырок, накапливаемых в р-канале под электродом с уровнем напряжения Ун = - 20 В, на который сфокусирован оптический зонд. Эти фотодырки частично

Рис. 6. Зависимости выходных видеосигналов двухканального ОПЗС от напряжений на боковом электроде (Уср р и Уср п-выходные видеосигналы соответственно из р- и п-каналов). Оптический зонд расположен: на 1-ми 16-м элементах от р-выхода (соответственно кривые 1 и 2); на 1-м, 8-м и 16-м элементах от п-выхода (соответственно кривые 3, 4, 5); Тактовая частота - £=75 кГц.

1(П В

Г* р* В 3

500 I ■ * /

120

80

300

40

100 6

12

18 К,, В перетекают под боковой электрод и далее под соседние управляющие электроды ОПЗС, имеющие уровень потенциала в -20 В (спад кривых 1 и 2 на рис. 6 ). Если \Уб\ » \Уср\, например, \У6\ > 13 В, то потери накапливаемых фотодырок в результате их перетекания под боковые электроды настолько велики, что фотодырки равномерно распределяются вдоль объемного канала под электродом, имеющего потенциал величиной Ун. Это приводит к полному исчезновению локального фотовидеосигнала, созданного оптическим зондом и к возрастанию равномерно распределенного по МДП ячейкам р-канала видеосигнала, созданного как темновой термогенерацией дырок, так и растекшимися фотодырками.

Появление фотодырок в р-канале под боковыми электродами приводит к экранированию электрического поля, создаваемого в р-слое напряжением на боковых электродах. Это обеспечивает уменьшению "бокового" потенциального барьера, удерживающего фотоэлектроны в поверхностном канале. Следствием этого является резкое увеличение потерь фотоэлектронов, генерируемых оптическим зондом и собираемых в п-канале под управляющим тактовым электродом с потенциалом Уб = 0 В. Этим объясняется резкое уменьшение и даже исчезновение фотовидеосигнала Ус при \У5\ > 14 В (кривые 3 ч- 5, рис. 6). Электроны удерживаются в поверхностном канале лишь тогда, когда напряжение на "боковых" электродах выбрано в некотором диапазоне напряжений, определяемом величинами уровней тактовых напряжений на управляющих электродах. Для рассматриваемого режима работы ОПЗС, когда Ун =0 В, Уср = - 8 В, Ув = - 20 В, Г = 75 кГц (тактовая частота видеосигнала), оптимальным являются диапазон -11 В <Уср< - 10,5 В (т.е. \ Уб\ » (1,34 ч- 1,38) |Кср|). В этом экспериментально установленном диапазоне напряжений Уб эффективность переноса фотоэлектронов в п-канале достигает наибольшего значения

Рис. 7. Зависимости эффективностей переноса зарядов в р-канале (кривая 1) и п-канале (кривая 2) двухканального ОПЗС от напряжения на боковом электроде; Ун=О В, Кср= - 8 В, Ув= - 20 В;/= 75 кГц.

Е,% 100

99,6

99,2 \ \ 1 • \ \ \ I I г

98,8

-2

-10

-14 ^ В

- 99,76 % (кривая 2 на рис. 7). Эффективность переноса фотодырок в р-канале в этом случае уменьшается от 99,97 % (при |Кб| < 10 В) до 99,76 %.

§ 2.4 Экспериментальные исследования двухканальных приборов с зарядовой связью. Фотоэлектрические характеристики ОПЗС.

Для подтверждения численного анализа и теоретических расчетов фотоэлектрических характеристик объемных приборов с зарядовой связью был разработан и изготовлен двухканальный линейный прибор с зарядовой связью с использованием планарной кремниевой технологии.

Двухканальный прибор с зарядовой содержал поверхностный п-канал и объемный р-канал на основе описанной выше структуры и имел 16 элементов разложения в каждом канале.

Для управления двухканальным прибором с зарядовой связью была использована четырехтактная система питания в соседних каналах в противоположных направлениях. Исследования характеристик двухканального прибора с зарядовой связью осуществлялось с помощью детекторов видеосигналов, размещенных на противоположных концах линейного объемного прибора с зарядовой связью, что обеспечивало упрощение конструкции исследованного устройства. Использовались следующие уровни управляющих напряжений, которые предварительно были оптимизированы: 0, Уср= - 10 В, Ув= -20 В, с тактовой частотой 75 кГц. Напряжение на двух продольных боковых электродах было выбрано Кб= - 10.5 В, которое, как было установлено экспериментально, соответствовало максимальной эффективности переноса заряда в обоих каналах.

На рис. 8 приведены фотографии видеосигналов считываемых с поверхностного и объемного каналов объемного прибора с зарядовой связью

Рис. 8 Осциллограммы выходного сигнала двухканального объемного прибора с зарядовой связью (поверхностный канал п - типа и объемный р -типа проводимости). Положение оптического зонда: а) на третьем и тринадцатом элементе считывания в п- и р- каналах соответственно, б) на восьмых элементах п- и р- каналов соответственно, в) на тринадцатом и третьем элементах считывания вп-и р- каналах соответственно: Ун =0 В, Кср = - 10 В, ¥в = - 20 В, Кбок = - 10,5 В,/= 75 кГц. Размер по координате 10 мкс/деление, ¥п = 20 мВ/деление, Ур = 100 мВ/деление. б) в) для описанного выше режима и для различных положений оптического зонда.

Для исследования фотоэлектрических характеристик использован стенд, содержащий монохроматор ДМР-4, объектив "Гелиос-44", лампу накаливания - К-30 и конденсор. Оптическое излучение от лампы накаливания через конденсор вводилось в монохроматор откуда оно выводилось на определенной длине волны и фокусировалось объективом в виде пятна диаметром 80 мкм на поверхности ОПЗС. Измерение мощности излучения в пятне осуществлялось с помощью радиационного термоэлемента РТН - 20С и цифрового вольтметра. Для измерения очень малых мощностей оптического излучения 10~8 ч- 10~9 Вт) применялся фотодиод ФД - 2, спектрозональная характеристика фоточувствительности которого в фотодиодном режиме была предварительно измерена с помощью указанного термоэлемента. Были измерены зависимости выходных видеосигналов ОПЗС для р- и п-каналов от длительности времени накопления, полученные на нескольких фиксированных длинах волн поглощаемого оптического излучения.

В широком диапазоне времени экспозиции (50 мкс < I < 400 мкс) до заполнения "потенциальных ям" электронами и дырками под соответствующими накапливающими управляющими электродами эти зависимости имели линейный характер. По их наклону определили спектральные фоточувствительности обоих каналов ОПЗС в диапазоне длин волн от 0,4 мкм до 1,1 мкм.

На рис. 9 представлены результаты исследования процессов фоторелаксации в р-канале в объемном приборе с зарядовой связью для различных длин волн поглощаемого излучения. Для малых времен экспозиции получены линейные зависимости напряжения видеосигнала от

Рис. 9. Зависимость напряжения видеосигнала от времени накопления заряда фотоносителя для различных длин волн поглощаемого излучения Х(мкм):

1 - 0,64; 2 - 0,615; 3 - 0,59; 4 - 0,57; 5 - 0,55; 6 - 0,53; 7 - 0,515. времени накопления заряда фотоносителей. При достижении напряжением видеосигнала определенной величины зависимости данного типа становятся нелинейными. В отличии от расчетных характеристик зависимости видеосигнала от времени экспозиции, представленных на рис. 3, экспериментальные исследования приведенные на рис. 6 проведены вплоть до режимов экспозиции, значительно повышающих времена фоторелаксации в обоих каналах. В экспериментальных исследованиях в этом случае наступает насыщение напряжения видеосигнала и соответствующие зависимости на рис. 9 стремятся к постоянной величине. По угловым коэффициентам характеризующим линейные участки экспериментальных кривых накопления фотоносителей в поверхностном п-канале и объемном р-канале были получены спектральные характеристики их фоточувствительностей с использование зависимостей: а йУп в агр Р>(Х)=рр,) с* ' где Р(Х) - мощность излучения, А и В константы, не зависящие от длины волны и зависящие от конструктивных особенностей двух канального объемного прибора с зарядовой связью и электрических параметров видео усилителя, считывающих видесигнал; У(Х) и УР(Х) - величины напряжений видеосигналов, считываемых с поверхностного п-канала и объемного р-канала соответственно.

Это подтвердилось также численным моделированием спектральных фоточувствительностей каналов (кривые 1 и 2 рис. 10). Указанное моделирование выполнено с применением ЭВМ и на основе системы двух дифференциальных уравнений, описывающих фоторелаксацию п- и р-каналов соответственно. Из рис. 10 также следует, что в интервале длин волн от 0,4 мкм до 0.55мкм экспериментально полученные данные по фоточувствительности меньше расчетных значений.

Рис. 10. Спектральные характеристики фоточувствительностей каналов двухканального ОПЗС: 1 и 3 - поверхностный канал; 2 и 4 - объемный канал (штриховые кривые - теоретические, точечные кривые - экспериментальные). отн. ед.

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2 к// // у: \ ^ \ / . х /2 л • \

V4 \ . \ \

• л /3 \ • \

• ч

N.

0,4 0,6 0,8

1,0 1,2 X, мкм

Данное обстоятельство можно объяснить экспериментальной структурой ОПЗС, проникающее в каналы оптическое излучение проходит через поликремневые управляющие электроды толщиной -0.5 мкм. В них поглощается коротковолновая область оптического спектра. Влияние указанных электродов на фоточувствительность ОПЗС проявляется также в наличии "изломов" и "провалов" на экспериментальных кривых. Это связано с интерференцией вводимого излучения в многослойной пленочной структуре поликремний - двуокись кремния - подложка.

§ 2.5 Выводы.

Разработана конструкция, проведены экспериментальные исследования электрических и фотоэлектрических характеристик двухканального объемного ПЗС, содержащего поверхностный и объемный каналы. Показано, что полученные результаты подтверждают практическую возможность создания многоканальных объемных ПЗС. Установлено, что увеличение эффективностей одновременного переноса зарядов в каналах рассматриваемого ОПЗС возможно как за счет усовершенствования его конструкции, так и оптимизацией тактовой временной диаграммы импульсов напряжения на его управляющих и боковых электродах. Показано, что другим способом увеличения эффективностей переноса зарядов в каналах является, применение в конструкции двухканального ОПЗС только объемных каналов, как п- так и р-типов проводимости.

Глава 3. Многоканальные спектрозональные фоточувствительные объемные приборы с зарядовой связью.

В данной главе и в работах [109 - ИЗ] рассмотрена структура линейного трехканального объемного прибора с зарядовой связью (ОПЗС), имеющего поверхностный п-канал, объемные п-и р-типов проводимости каналы. Получена система трех нелинейных дифференциальных уравнение, описывающая процесс фоторелаксации ОПЗС. На основе этой системы уравнений выполнено численное моделирование процесса фоторелаксации в кремниевом трехканальном ОПЗС под влиянием поглощения оптического излучения с однородной спектральной характеристикой интенсивности (0,4 мкм < X < 1,1 мкм). Рассчитаны спектральные характеристики фоточувствительностей каналов, вследствие чего установлена селективность собственного поглощения излучения в них. Максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся на длины волн 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм соответственно для поверхностного п-канала, объемных р- и п-типов каналов. Типичные величины времени фоторелаксации равняются (1 -ь 0,6) мсек. при плотности мощности поглощаемого излучения - 100 мкВт/см2. Расчеты выполнены для трехтактной временной диаграммы управляющих импульсов напряжении, имеющей следующие уровни: верхний-(+22 В), нижний - (+2 В), средний - (+8 В ч- +12 В). Результаты моделирования позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС, как однокристальный фотоэлектрический преобразователь изображения.

§ 3.1 Введение.

Фотоэлектрические преобразователи изображения на приборах с зарядовой связью (ФЭПИ ПЗС) широко применяются для создания передающих видеокамер. В традиционных конструкциях цветных видеокамер на ПЗС для преобразования оптического изображения в видеосигнал применяются, как правило, цветоразделяющая оптическая система и три кристалла ФЭПИ ПЗС. Возможно применение одного кристалла ФЭПИ ПЗС, имеющего на своей поверхности сложную многослойную систему интерференционных светофильтров.

Известно, что перспективными устройствами для создания спектрозональных ФЭПИ ПЗС оптического диапазона длин волн являются многоканальные объемные приборы с зарядовой связью (ОПЗС). Вследствие наличия особого рельеф электрического потенциала, возникающего в толще полупроводника этих приборов, подвижные фотозаряды, созданные собственным поглощением оптического излучения из разных диапазонов длин волн, собираются в нескольких независимых объемных 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 на его основе в сравнении, с известными: конструкциями.

К настоящему времени опубликованы сообщения, в которых описаны принцип действия и конструктивные особенности многоканальных и, в частности, трехканальных ОПЗС. Приводятся также оценки некоторых электрических и конструктивных параметров этих приборов: концентраций пакетов переносимых зарядов, амплитуд управляющих тактовых напряжении, толщин канальных полупроводниковых слоев и концентраций легирующих примесей в них. Таким образом, актуальной, задачей для разработки спектрозональных ФЭПИ на ОПЗС является исследование фотоэлектрических характеристик трехканального ОПЗС.

§ 3.2 Структура трехканального ОПЗС (одномерная физическая модель).

Конструкция линейного трехканального ОПЗС схематически изображена на рис.11 и содержит полупроводниковые слои р- и п-типов проводимости, расположенные на полупроводниковой подложке р-типа. Прикладывая отрицательное и положительное напряжения соответственно к р- и п-слоям относительно подложки, молено полностью удалить из них равновесные основные носители зарядов. Образующееся при этом вдоль оси ъ распределение электрического потенциала имеет в р- слое минимум, а в п-слое - максимум (рис. 12), так что в р-слое возникает объемный канал для переноса дырок, а в п -слое - объемный канал для переноса электронов. В свою очередь, у границы р-слоя и диэлектрического слоя, на котором расположены управляющие электроды ОПЗС, образуется поверхностный канал п -типа проводимости. С помощью управляющих импульсов напряжении, поданных на .управляющие электроды по трех- или четырехтактной временной диаграмме, можно выполнить одновременный перенос разнополярных пакетов зарядов по указанным п- и р-каналам соответственно в одном или в противоположных направлениях. Частота следования тактовых управляющих импульсов напряжения выбирается такой, чтобы время прохождения одного пакета заряда вдоль всей линейки ОПЗС было существенно меньше времени терморелаксации прибора. В этом случае в п-слое существует положительный пространственный заряд обедненной донорной примеси величиной,

Рис. 11. Схематический разрез ОПЗС с поверхностным п-каналом и объемными р- и п- -каналами: 1 - управляющие электроды, 2 -диэлектрический слой.

О О о о 2

Р^а2)[Ь2 п(Ш) Ь,

-ъ

Л^ хЦ -£„), а в р-слое отрицательный пространственный заряд, обедненных акцепторов с поверхностной концентрацией - (АТ™Ь2 ()р ). Здесь через и

2Р обозначены поверхностные концентрации подвижных электронов и дырок («пакетов» электронов и дырок) соответственно в объемных п- и р-каналах, а через А^, ]Уа и Ьх, Ь2 обозначили концентрации легирующих примесей и толщины соответственно для п- и р-типов слоев (рис. 12).

Ввод зарядов в каналы ОПЗС осуществляется оптическим способом в результате собственного поглощения в рассматриваемой р-п-р структуре прибора оптического излучения, спроецированного равномерно на внешнюю его поверхность.

Распределение электрического потенциала, представленное на рис. 12 получено в результате анализа одномерной модели рассматриваемого ОПЗС на основе решения уравнения Пуассона. При этом принято во внимание, что напряжение V, приложенное к произвольному управляющему электроду, связано с падением напряжения, на диэлектрике- А и падением напряжения на полупроводниковой р-п-р структуре- ср5 равенством:

АУ„ = где

-т/

I £

Р, =<Ррш п + х \1, +12 - 2р

Рр ртт ала 0

X со

1 + -. р. и аса + а V N л у

7)

8а) (86)

9)

При выводе выражений (7)-(9) предполагалось, что в поверхностном и объемном п-каналах находятся одновременно фотоэлектроны соответственно с концентрациями ()п5, и ()п, а в объемном р-канале имеются также фотодырки с концентрацией <2Р- Отсчет всех направлений выбран относительно

Рис. 12. Распределение электрического потенциала в полупроводниковой структуре кремниевого ОПЗС для двух уровней напряжения на управляющих электродах: 1- Ун=+2 В; 2- Ув=+22 В, Ь\=Ь2-2 мкм, ¿/0=0,15 мкм, £=12, е6=4, N¿=5x1015 см°; а=0,1; /3= 1,5; бг^бп^р^Оэлектронейтральной области полупроводниковой подложки. Здесь также приняты следующие обозначения: Фртт- минимальная величина электрического потенциала в р-слое, достигаемая в электронейтральной области этого слоя с границами: г

Р + - < асо + в„ N / и

Q0 ' . г \ е

Л ) е<] и б/0 - диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрического слоя, е- диэлектрическая проницаемость полупроводника,

Р1 гг ктл

V н у

X 1п а х Ыс1

77; р 2

I ч ) п:

-контактные разности потенциалов р-п переходов, образованных п-слоем соответственно с рподложкой и р-слоем: а=7Уа(1)///с), где Н

1)

- концентрация акцепторной примеси в р-подложке; ^Л^/Л^.

В результате решения уравнения Пуассона получено также выражение для максимальной величины потенциала в п -слое -фптах, достигаемой в электронейтральной области этого слоя, имеющей границы ~~асо и

Р р тах а именно:

2 тщЫй х а а +1)

6У"

10)

Важнейшим параметром ОПЗС является глубина проникновения электрического поля в р-подложку со, которую можно найти из выражений (V) - (9).

В дальнейшем для упрощения формул удобно ввести безразмерные величины: ш = а>/12. с[ = с1/Ь2. 0 = £,/£2; = /(^ х12). г] = <2„ = х ¿2). У=8ХУ/{2ЩК,Ь22). (р]Л=8Х(ри21(2щЫ,1}2)

5 5 5

Тогда, используя (8) и (9), преобразуем выражение (7) относительно ¿у, в результате чего получим:

V^^^l + e + d-^lß)-rif +(\ldp -(p2+Ä)-{\ + 0 + А = в2 - ß(\ + 2d)-2dpi + 2{\ + d)x{$ + e-?]) + --(7j-0-£)x£ + 77(?j-20). где ß

Выражения (8)-(11) необходимы для последующего рассмотрения процесса фоторелаксации каналов трехканального ОПЗС.

Следует заметить, что рассматриваемая одномерная модель является упрощенным приближением реальной структуры трехканального ОПЗС. В более точной постановке рассматриваемая задача должна решаться о помощью двумерной и даже трехмерной моделей. Однако благодаря такому существенному, но корректному упрощению удается понять основные физические процессы функционирования трехканального ОПЗС, как спектрозонального фотоприемника. При этом существенно сокращаются сложность, объем и длительность численных расчетов, связанных с более точными моделями.

§3.3 Вывод уравнений процесса, фоторелаксации каналов ОПЗС.

Рассмотрим процесс накопления в каналах ОПЗС фотоносителей, созданных в результате собственного поглощения излучения. Воспользуемся для простоты анализа трехтактной временней диаграммой управляющих импульсов напряжений, имеющей три уровня положительных напряжений Ув, Vcp и К (К < КР < К) ■ Рассмотрим промежуток времени, когда указанные уровни напряжении приложены соответственно к первому, второму и третьему управляющим электродам. Возникающее вдоль линейки ОПЗС (вдоль оси х) распределение минимума электрического потенциала в объемном р-канале ФР min, максимума электрического потенциала в объемном n-канале cpn тах, а также поверхностного электрического потенциала в поверхностном

Рис. 13. Схематическое распределение вдоль оси х минимума электрического потенциала (ppmin в объемном р-канале, максимума электрического потенциала-фп max в объемном п -канале и поверхностного электрического потенциала - (ps в поверхностном n-канале: 1н-3 - управляющие электроды.

2 3 1 2 3 1

О а 2а За х ie ф

-Ф eJ © © -Ф Ф \ / © © п -канале - ср5> схематически представлены на рис. 12. Средний уровень управляющего напряжения - Уср позволяет изменять глубины «потенциальных ям» под электродами 1 и 3- электродами наполнения соответственно электронов и дырок. Вследствие этого можно оптимизировать максимальные величины концентраций фотоэлектронов - (Зп5 и накапливаемых в п-каналах под электродами 1 и соответственно максимальные концентрации фото дырок - <2Р , собираемых в р -канале под электродами -3.

Для начала рассмотрю процесс накопления фотодырок под каждым электродом-3. При этом необходимо учесть, что область пространственного заряда (ОПЗ) в р-канале (вдоль оси г) под электродами - 3 с напряжением ¥н имеет толщину 2 Ь-2п(7п). Фото дырки создаваемые собственным поглощением оптического излучения в этой толще полупроводника, собираются только в р-канале под электродами 3. Поскольку в ОПЗС в рабочем режиме ОПЗ существуют под всеми управляющими электродами, то скорость изменения поверхностной концентрации фото дырок, под электродами 3, определяется, тремя потоками. Это потоки фотодырок, создаваемые поглощением излучения в ОПЗ под электродами 1 и 2, а также поток фотодырок, рождаемый в ОПЗ непосредственно под электродом 3 (рис. 13). Поэтому полная скорость изменения поверхностной концентрации фотодырок под электродами - 3 представляется в виде:

12) еДО=£х{1-ехрЫ21-а®2)]},

Ср{¥н) = §х{1-ехр[-Х{2Ь-асо3)]}.

Здесь GP(Vв), Gp(Fcp), GP(K) - скорости оптической генерации (фотодырок в ОПЗ соответственно под электродами 1, 2 .и 3; g- количество квантов оптического излучения с длиной волны X падающих на 1см2 поверхности ОПЗС в 1с; х- коэффициент поглощения излучения в материале полупроводника ОПЗС на длине волны Х\ со i = co¡ (Ув, Qns, Qp = 0), o>i= со2 (Vcp, Qns = Qn = Qp = 0), ¿>3 = á)3(VH, Qp, Qns = Qn = 0) - глубины проникновения ОПЗ в полупроводниковую р-подложку соответственно под электродами 1, 2, 3.

В безразмерных величинах выражение (12) окончательно записывается в dt = I х {З - ехр(- 2х)х [exp(ajSJ3) + ехр) + ехр+ ХлЪ виде: dr (13)

Здесь приняты обозначения: t NdxL2 Nd х L2 x he т = tQ — — to S о РхЯо Z = ZxL2 я=я

Р-плотность мощности падающего внешнего оптического излучения, 0 ,

Я.0-некоторая фиксированная длина волны, сяк -соответственно скорость света и постоянная Планка. Величины ^, ш2 и определяются выражением

11).

Аналогичным образом, в поверхностном и объемном п-каналах ОПЗС под электродами - 1 с напряжением Ув существуют ОПЗ, имеющие вдоль оси ъ (рис. 12) соответственно толщины 21~гр(Ги) и 2р(Ун)+а>,(К)- в этих ОПЗ в результате собственного поглощения излучения создаются поверхностные и объемные фотоэлектроны с концентрациями ^ и (.?п (рис. 11, 12). Заполнение этими фотоэлектронами соответствующих «потенциальных ям» под каждым электродом с номером 1 происходит подобно заполнению фотодырками «потенциальных ям» под электродами -3 и определяется также тремя составляющими потоками фотоэлектронов. Поэтому для скорости изменения поверхностной концентрации фотоэлектронов, собираемых под электродами -1 поверхностном л йт Я х 3 - ехр г! Р X канале, г ехр V

ХЛ Р несложно г асо. 77) ехр

X - ---аа>. получить

Л ( V р ехр V

1 р уравнение: V асо, -£)

14)

Аналогичным образом, для скорости изменения поверхностной концентрации фотоэлектронов в объемном п-канале под электродами 1 запишем уравнение:

7 с/г Я х {ехр

1 ~1 Р X ехр асо. ехр

-------асо. V Р ехр X Р асо, ех р(- 21)

• [ехр(- х®\) + ехр(- X®2) + ехр(- хсоъ))

1 + г) (15) где у=х^п, диффузионная длина электронов в р-подложке.

Уравнение (15) учитывает также диффузионную составляющую фототока электронов из электронейтральной области р-подложки. Однако термогенерацией электронов и дырок в каналах пренебрегаем, т.к. предполагаем, что время терморелаксации ОПЗС достаточно велико по сравнению с его временем фоторелаксации. Также, для простоты анализа, при выводе уравнений (13) и (15) не учитывалось поглощение внешнего оптического излучения в толще управляющих тактовых электродов ОПЗС. Хотя, как показали исследования фотоэлектрических характеристик кремниевого двухканального спектрозонального ОПЗС, поглощение коротковолновой области спектра оптического излучения (X ~ 0,4 мкм) в поликремневых управляющих электродах является существенным.

Следует отметить, что поскольку поглощение оптического излучения в каналах ОПЗС происходит одновременно, то время фоторелаксации каждого канала зависит от степени заполнения фотозарядами остальных каналов. Поэтому уравнения (13) - (15) образуют единую систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающую процесс накопления подвижных фотозарядов в каналах трехканального ОПЗС и позволяющую получить зависимости \х = ¡л(т), = ^(х), г\ = т](т). В качестве начальных и конечных условий рассматриваемой задачи взяты следующие условия: при х = О,

Н1=Л=0 (16) при X = ха,

17,а)

Здесь ха- время фоторелаксации каналов. Строгое равенство в условиях (17) означает, что за время ха происходит заполнение либо дырочных, либо электронных (поверхностных или объемных) «потенциальных ям» в каналах под соответствующими управляющими электродами. В противном случае при х > та, когда нарушится хотя бы одно из неравенств (17), произойдет переполнение соответствующих «потенциальных ям» и растекание накапливаемых фотозарядов вдоль соответствующего канала. Скорость индивидуального заполнения «потенциальных ям» каждого канала существенно зависит как от дисперсии коэффициента собственного поглощения излучения полупроводниковым материалом р-п-р структуры ОПЗС, так и от спектральной характеристики внешнего источника излучения, освещающего ОПЗС. Нас интересует случай, когда ОПЗС освещается оптическим излучением (0,4мкм < X < 1,1 мкм) с однородной (постоянной) спектральной интенсивностью.

Введем определения фоточувствительностей каналов трехканального ОПЗС следующими выражениями:

Лт ^ - с!т 5 (¡т з (18) где А х с .

Поскольку области пространственных зарядов поверхностного п-канала и объемного р-канала перекрываются, а также перекрываются ОПЗ объемных р- и п-каналов (рис. 12), то в спектральные фоточувствительности каналов, определенные согласно (18), дают вклад также фото электроны и фото дырки, рождаемые собственным поглощением излучения в местах перекрытия ОПЗС. Чтобы сильнее разделить в ОПЗС фотозаряды, созданные поглощением оптического излучения на разной глубине от поверхности его р-п-р структуры, и, как следствие, сделать более селективными спектральные характеристики фоточувствительностей его каналов, введем еще две дополнительные спектральные характеристики фоточувствительностей каналов:

И (19)

§ 3.4 Результаты численных расчетов и их обсуждение.

Точное решение системы уравнений (12)-(13) с условиями (16), (17) не может быть получено аналитическими методами, а только численными методами с применением ЭВМ. Нас прежде всего интересовали фотоэлектрические характеристики трехканального ОПЗС, который может быть изготовлен по кремниевой технологии. Для него были получены зависимости максимальных величин накапливаемых поверхностных концентраций фотозарядов под электродами 1 и 3 от длины волны поглощаемого излучения: ¡х = = ^(Х), т] = т](А,). Зависимость % = х(^) при

Т = 300 К для кремния взята из работы [106]. Полагалось также, что Я = 0,4 мкм. Расчеты, выполнены для разных значений напряжения Уср на электроде 2, выбранных в интервале от +2 В до + 22 В.

Наибольший интерес представляет процесс фоторелаксации ОПЗС под воздействием немонохроматического излучения в диапазоне длин волн 0,4 мкм 1,1 мкм. Поэтому в результате усреднения полученных максимальных величин поверхностных концентраций накапливаемых фотозарядов в указанном диапазоне дайн волн были вычислены их средние значения <р>,<£> , <г\> в зависимости от величины напряжения Уср (рис. 14, а). Значения конструктивных параметров ОПЗС, использованных в указанных расчетах, выбраны следующие: Ь\ = Ь2 = 20мкм, с/0 = 0,15мкм, Ьп = 10 мкм, с — 12, ос = 0,1, = 5 х 1015 см0.Уровни напряжений на электродах 1 и 3 полагались равными Ув = +22 В, Ун = +2 В. Оптимальным значением параметра {3 была взята величина 1,5. В этом случае для указанных толщин полупроводниковых слоев п- и р-типов и концентраций легирующих примесей в них существуют наибольшие глубины объемных п - и р -каналов и не возможен электрический пробой в областях пространственных зарядов структуры ОПЗС при выбранных уровнях управляющих напряжений.

Как показано на рис. 14 а, для значений Уср близких к уровням напряжений - Ув и Ун на электродах 1 и 2 величины <ц> , и <т]> - малы. Это объясняется малыми глубинами соответствующих электронных и дырочных «потенциальных ям» под электродами 1 и 2. Наиболее оптимальные значения напряжения Уср составляют ~ 8 В -ь 12 В, поскольку при них в поверхностном и обоих объемных каналах накапливаются сравнимые концентрации фотоэлектронов и фотодырок, составляющие - (2 + 6) х Ю10 см"2. Зависимости времени фоторелаксации каналов ОПЗС для этих случаев представлены на рис. 14, б. Наименьшие величины времени фоторелаксации кремниевого трехканального ОПЗС составляют: та ~ (! + мсек ПрИ р = юо мкВт/см2, что приблизительно в сто раз меньше, чей в ПЗС с одним скрытым каналом. Это, по-видимому, объясняется тем, что

Рис. 14. а) Зависимости средних величин поверхностных концентраций фотозарядов </£>, <£>, <т]> , накапливаемых в каналах кремниевого ОПЗС, от величины уровня напряжения Уср: 1-<£>; 2-</л>; 3-<т]>. б) Зависимости времени фоторелаксации каналов кремниевого ОПЗС от длины волны поглощаемого излучения: ¥ср: 1 -(+ 12 В); 2 -(+ 10В); 3-(+ 8 В). в случае сравнимых величин <ц>, <£>, <г|> время та определяется общим временем фоторелаксации электронных (поверхностных и объемных) «потенциальных ям» под электродами 1. Оно должно быть меньше времени фоторелаксации дырочных «потенциальных ям» в р-канале под электродами 3. Это происходит потому, что электронные «потенциальные ямы» в поверхностном и объемном п-каналах, заполняясь параллельно, быстрее уменьшают области пространственных зарядов - ©1 в подложке ОПЗС под электродами -1. В силу сказанного, равенство в условии (17, а) наступит раньше, чем в условии (17, б). Немонотонный характер зависимости времени та от длины волны поглощаемого излучения, а также наличие осцилляций на этих зависимостях можно объяснить различной спектральной фоточувствительностью каналов ОПЗС для разных длин волн.

Из решения уравнений (12 ) -(14) получены зависимости величин, накапливаемых фотоэлектронов и фотодырок от времени накопления. Они носят -линейный характер, что хорошо наблюдается на рис. 15 на примере фотоэлектронов, собираемых в поверхностном п-канале под электродами 1. Линейность указанных зависимостей в двух предельных случаях может быть объяснена следующим образом.

При ^ <<с 1 (длинноволновая область спектра) в правой части уравнения (13) разложим в ряд Тейлора экспоненциальные слагаемые суммы в фигурных скобках, и учтем только линейные члены разложений. Тогда считая, что г]~<;,

Анализ показывает, что для выбранных параметров ОПЗС и уровней тактового управляющего напряжения, глубины проникновения ОПЗ в р-подложку мало отличаются друг от друга. Они также слабо зависят от величин накапливаемых фотозарядов, а, следовательно, и от времени накопления. получим:

20)

Рис. 15 Зависимости поверхностной концентрации фотоэлектронов ¡л , накапливаемой в поверхностном п-канале кремниевого ОПЗС, от времени накоплениях, т: 1 - 0,5; 2 - 0,4; 3 - 0,6; 4 - 0,7; 5 - 0,8; 6 - 0,9; 7 - 1,0; Ь1=Ь2=4 мкм/ ¿/¿1=0,15 мкм/ Д7=10 мкм/ 8=12; гс1=4; Л^=5х1015 см°; а=0,1; Р=1,5; Ун=+2 В; Кср=+10 В; Кв=+22 В; Г=300К.

Поэтому в выражении (20) приближенно можно считать, что со, ~ со2 ~ 673 « const ^ и П0ЭТ0Му получаем, что

В другом предельном случае при %>>]- (коротковолновая область спектра), пренебрегая экспоненциальными членами в (13), получаем, что dr . Откуда также следует, что . Аналогичным образом с помощью уравнений (12) и (14) можно объяснить линейность характеристик 2, = £,(т) и

Л ^СО

Указанные временные зависимости по накоплению фотозарядов, согласно определениям (16) и (17), позволяют найти спектральные фоточувствительности каналов. На рис. 16 представлены спектральные характеристики фоточувствительностей поверхностного и двух объемных каналов, рассчитанные для кремниевого ОПЗС с упомянутыми ранее параметрами. Из этого рисунка следует, что каналы кремниевого ОПЗС должны проявлять селективность в собственном поглощении оптического излучения. Максимумы спектральных фоточувствительностей каналов смещены относительно друг, друга и приходятся на длины волн 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм соответственно для поверхностного n-канала, объемных р- и n-каналов. Это, по-видимому, определяется, во-первых, существенной дисперсией по длинам волн коэффициента собственного поглощения оптического излучения в кремнии вблизи края собственного поглощения. Во-вторых, ОПЗ, из которых происходит сбор в каналы фотозарядов, расположены на разной глубине от поверхности полупроводниковой р-п-р структуры и лишь частично перекрываются друг с другом. Причем, ОПЗ поверхностного n-канала тоньше ОПЗ других каналов. На основании сказанного поверхностный n-канал является более фоточувствительным к коротковолновому излучению и имеет меньший максимум спектральной

Рис. 16 Спектральные зависимости фоточувствительностей каналов кремниевого трехканального ОПЗС: а) 1 - поверхностный п-канал ( ); 2 - объемный р -канал ( );3 - объемный п-канал ( Г3 ); б) 1 - 2 фоточувствительности, чем объемный п-канал. Последний проявляет большую фоточувствительность к длинноволновому оптическому излучению.

Выполненные нами также численные расчеты показывают, что можно изменять в некоторой степени спектральные фоточувствительности каналов, изменяя в допустимых пределах толщины п- и р-слоев и концентрации легирующих примесей в них. Однако более существенным может оказаться метод, основанный на электрической обработке видеосигналов, считываемых из каналов ОПЗС. В этом случае складывая или вычитая видеосигналы с необходимыми весовыми коэффициентами, можно, по-видимому, лучше разделить максимумы спектральных характеристик фоточувствительностей. Простейший пример такой обработки видеосигналов описывается выражением (18), а соответствующие ему спектральные кривые фоточувствительностей представлены на рис. 16,6.

Следует отметить, что в ОПЗС на основе полупроводников, имеющих более резкий, чем в кремний край собственного поглощения оптического излучения максимумы спектральных фоточувствительностей каналов должны быть смещены в сторону пороговой длины волны и разнесены по длинам волн в меньшей степени. Подтверждением этого являются представленные на рис. 17 спектральные фоточувствительности каналов, рассчитанные для трехканального ОПЗС, в котором в качестве полупроводникового материала выбран арсенид галлия. Зависимость % = Х(^) и величина £<1 взяты из работы [106]. ПЗС, изготовленные на арсениде галлия, в силу ряда причин не получили своего развития. Однако данный пример, являясь экзотическим, интересен как иллюстрация влияния на фотоэлектрические характеристики ОПЗС особенностей дисперсии по длинам волн коэффициента собственного поглощения оптического излучения материалом полупроводника. Как следует из рис.17, а, фоточувствительности поверхностного п-канала и объемного р-канала существенно различаются лишь для длин волн соответствующих

Рис. 17 Спектральные зависимости фоточувствительностей каналов трехканального ОПЗС на арсениде галлия: а) 1 - поверхностный п-канал (); 2 - объемный р -канал (^ ): 3 - объемный п-канал (Fз): б) 1- Р2 = К - ; ¿¡=¿2=2 мкм; с!0=0,25 мкм; 1„=5 мкм/ £¿=4; N¿=5x1015 см"3; а=0,01; (3=2/ Гн= +2 В; Уср= + 10 В; Ув=+ 22 В; Г=300К. границе собственного поглощения излучения в арсениде галлия. Для этих длин волн более резко выражена селективность поглощения излучения, по мере его проникновения в толщу полупроводника. Этим обстоятельством объясняются, по-видимому, сравнительно узкий интервал по дайнам волн фоточувствительности объемного п-канала (рис. 17, а), а также формы спектральных кривых, представленных на рис.17, б.

§ 3.5 Выводы.

В результате численного моделирования процесса фоторелаксации кремниевого трехканального объемного прибора с зарядовой связью установлена селективность собственного поглощения оптического излучения в его каналах, проявляющаяся, в различных спектральных характеристиках их фоточувствительностей.

Показано, что выбором материала полупроводниковой структуры ОПЗС (кремний, арсенид галлия), изменением его конструктивных параметров (толщин полупроводниковых слоев и концентраций легирующих примесей в них) можно изменять спектральные фоточувствительности каналов. Применение электрической обработки видеосигналов, считываемых из трех каналов ОПЗС, позволит сильнее трансформировать его спектральные характеристики фоточувствительностей настраивая их на необходимые спектральные диапазоны входного оптического сигнала.

Полученные результаты позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС как перспективный однокристальный спектрозональный ФЭПИ. Численное моделирование его фотоэлектрических характеристик на основе более точных моделей (двумерной или даже трехмерной), а также экспериментальная проверка результатов моделирования могут стать целями последующих исследований.

Глава 4. Моделирование процессов фоторелаксации в многоканальных объемных спектрозональных фоточувствительных приборах с зарядовой связью.

В данной главе и связанных с ней работах [114 - 116] получена система трех нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая процесс фоторелаксации ОПЗС. На основе этой системы уравнений выполнено численное моделирование процесса фоторелаксации в кремниевом трехканальном ОПЗС под влиянием поглощения оптического излучения с однородной спектральной характеристикой интенсивности

0,4мкм < А, < 1,1 мкм). Рассчитаны спектральные характеристики фоточувствительностей каналов, вследствие чего установлена селективность собственного поглощения излучения в них. Максимумы спектральных фоточувствительностей приходятся на длины волн 0,5мкм, 0,67мкм и 0,83мкм соответственно для поверхностного п-канала, объемных р- и п-типов каналов. Типичные величины времени фоторелаксации равняются (1-Ю,6)мсек. при плотности мощности поглощаемого излучения ~ 100 мкВт/см . Расчеты выполнены для трехтактной временной диаграммы управляющих импульсов напряжении, имеющей следующие уровни: верхний- (+22 В), нижний - (+2 В), средний - (+8 В -н +12 В). Результаты моделирования позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС, как однокристальный фотоэлектрический преобразователь изображения.

§ 4.1 Введение.

Фотоэлектрические преобразователи изображения на приборах с зарядовой связью (ФЭПИ ПЗС) широко применяются для создания передающих видеокамер. В традиционных конструкциях цветных видеокамер на ПЗС для преобразования оптического изображения в видеосигнал применяются, как правило, цветоразделяющая оптическая система и три кристалла ФЭПИ ПЗС. Возможно применение одного кристалла ФЭПИ ПЗС, имеющего на своей поверхности сложную многослойную систему интерференционных светофильтров.

Известно, что перспективными устройствами для создания спектрозональных ФЭПИ ПЗС оптического диапазона длин волн являются многоканальные объемные приборы с зарядовой связью (ОПЗС). Вследствие наличия особого рельеф электрического потенциала, возникающего в толще полупроводника этих приборов, подвижные фотозаряды, созданные собственным поглощением оптического излучения из разных диапазонов длин волн, собираются в нескольких независимых объемных 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 на его основе в сравнении, с известными: конструкциями.

К настоящему времени опубликованы сообщения, в которых описаны принцип действия и конструктивные особенности многоканальных и, в частности, трехканальных ОПЗС. Приводятся также оценки некоторых электрических и конструктивных параметров этих приборов: концентраций пакетов переносимых зарядов, амплитуд управляющих тактовых напряжении, толщин канальных полупроводниковых слоев и концентраций легирующих примесей в них. Сообщалось также об исследовании фотоэлектрических характеристик двухканального спектрозонального ОПЗС, имеющего один объемный и один поверхностный каналы.

Таким образом, актуальной, задачей для разработки спектрозональных ФЭПИ на ОПЗС является исследование фотоэлектрических характеристик трехканального ОПЗС. Анализ выполнен для ОПЗС, которые могут быть созданы на основе кремния.

§ 4.2 Фоторелаксация каналов ОПЗС.

Полная скорость изменения поверхностной концентрации фотодырок под электродами - 3 представляется в виде: = 0р(у.)+о(у)+ср(уи), л

Г а ^

2Ь-асо, I

21)

Ор{Уср)=§х{1-охР[-х(2Ь-асо2)]}, Ор{¥н)=§х{1-охр[-Х{2 Ь-асо3)}}.

Здесь Ср(Кв), Ср(Кср), СР(УН) - скорости оптической генерации фото дырок в ОПЗ соответственно под электродами 1, 2 и 3; количество квантов оптического излучения с длиной волны X падающих на 1см2 поверхности ОПЗС в 1с; х- коэффициент поглощения излучения в материале полупроводника ОПЗС на длине волны X; СО] = ®\(УВ, бр=0)> ©2 = со2(Гср, бпз = бп = = 0), со3 = со3(К„, ()п = 0) - глубины проникновения ОПЗ в полупроводниковую р-подложку соответственно под электродами 1,2,3.

В безразмерных величинах выражение (21) окончательно записывается в

7 У = Я X {з - ехр(- 2%) X [ехр(«р73) + ехр(ар72) + ехр(орт, + хлЪ виде: ¿т (22)

Здесь приняты обозначения:

Г Ы(1 хЬ2 N4 хЬ2*кс о 0 РхЛ Х = ХХ^2 Р

5 ? 5 А

1 л плотность мощности падающего внешнего оптического излучения, 0 , А0-некоторая фиксированная длина волны, с и к -соответственно скорость света и постоянная Планка. Величины , ®2 и 0)3 определялись ранее.

Для скорости изменения поверхностной концентрации фотоэлектронов, собираемых под электродами -1 в поверхностном канале, несложно получить уравнение: с1/л с1т Я х <3 - ехр Р X ехр

1 1 асох + г/ ехр X ' - --асо,

К Р ехр

23)

Аналогичным образом, для скорости изменения поверхностной концентрации фотоэлектронов в объемном п-канале под электродами 1 запишем уравнение: с1г] с1т ехр(- 2%)

Я х {ехр

1-Р Р X -Л7 ехр X Р асо, ехр - л у

- - асо, Р V ехр(- ) + ехр(- ) + ехр(- х®ъ)]}

1 + г) (24) где у=%Ьп, Ьп- диффузионная длина электронов в р-подложке.

Следует отметить, что поскольку поглощение оптического излучения в каналах ОПЗС происходит одновременно, то время фоторелаксации каждого канала зависит от степени заполнения фотозарядами остальных каналов. Поэтому уравнения (22) -(24) образуют единую систему нелинейных дифференциальных уравнений, описывающую процесс накопления подвижных фотозарядов в каналах трехканального ОПЗС и позволяющую получить зависимости ц = ц(т), = £,(т), ц = г|(т). В качестве начальных и конечных условий рассматриваемой задачи взяты следующие условия: при х = 0, 4 = ц = г) = 0 (29) при х = та, {7в,77) > (гср) (26)

27) здесь та- время фоторелаксации каналов.

Введем определения фоточувствительностей каналов трехканального ОПЗС следующими выражениями: с1г п ^ В X ^ (28) В х ■ с1т а х Л,п

5 = —---где А х с .

Чтобы сильнее разделить в ОПЗС фотозаряды, созданные поглощением оптического излучения на разной глубине от поверхности его р-п-р структуры, и, как следствие, сделать более селективными спектральные характеристики фоточувствительностей его каналов, введем еще две дополнительные спектральные характеристики фоточувствительностей каналов:

И ^ (29)

Численное моделирование процессов фоторелаксации в объемных приборах с зарядовой связью.

Точное решение системы уравнений (22)-(23) с условиями (25), (26), (27) не может быть получено аналитическими методами, а только численными методами с применением ЭВМ. Нас прежде всего интересовали фотоэлектрические характеристики трехканального ОПЗС, который может быть изготовлен по кремниевой технологии. Для него были получены зависимости максимальных величин накапливаемых поверхностных концентраций фотозарядов под электродами 1 и 3 от длины волны поглощаемого излучения: р. = = ^(Х), г\ = г|(Т). Зависимость % = %(Х) при

Т = 300 К для кремния взята из работы [106]. Полагалось также, что X = 0,4мкм. Расчеты, выполнены для разных значений напряжения Уср на электроде 2, выбранных в интервале от +2 В до + 22 В.

Наибольший интерес представляет процесс фоторелаксации ОПЗС под воздействием немонохроматического излучения в диапазоне длин волн 0,4мкм -г 1,1 мкм. Поэтому в результате усреднения полученных максимальных величин поверхностных концентраций накапливаемых фотозарядов в указанном диапазоне дайн волн были вычислены их средние значения <ц>,<^> , <г|> в зависимости от величины напряжения Уср. Значения конструктивных параметров ОПЗС, использованных в указанных расчетах, выбраны следующие: Ь\ = Ь2 = 20мкм, ¿/0 = 0,15мкм, Ьп = Юмкм,

15 ° е = 12, а = 0,1, Л^ = 5x10 см°.Уровни напряжений на электродах 1 и 3 полагались равными Уа = +22 В, +2 В. Оптимальным значением параметра {3 была взята величина 1,5. В этом случае для указанных толщин полупроводниковых слоев п- и р-типов и концентраций легирующих примесей в них существуют наибольшие глубины объемных п - и р -каналов и не возможен электрический пробой в областях пространственных зарядов структуры ОПЗС при выбранных уровнях управляющих напряжений.

В работе показано что, для значений Уср близких к уровням напряжений - Ув и Ун на электродах 1 и 2 величины <]Х> , <&> и <т\> - малы. Это объясняется малыми глубинами соответствующих электронных и дырочных «потенциальных ям» под электродами 1 и 2. Наиболее оптимальные значения напряжения Уср составляют ~ 8 В 12 В, поскольку при них в поверхностном и обоих объемных каналах накапливаются сравнимые концентрации фотоэлектронов и фотодырок, составляющие ~ (2 -н 6)хЮ10 см"2.Исследованы зависимости времени фоторелаксации каналов ОПЗС для этих случаев. Наименьшие величины времени фоторелаксации кремниевого трехканального

ОПЗС составляют: т° ~ ^ ~ мсек при

Р=100 мкВт/см , что приблизительно в сто раз меньше, чей в ПЗС с одним скрытым каналом. Это, по-видимому, объясняется тем, что в случае сравнимых величин <\х>, <т\> время та определяется общим временем фоторелаксации электронных (поверхностных и объемных) «потенциальных ям» под электродами 1. Оно должно быть меньше времени фоторелаксации дырочных «потенциальных ям» в р-канале под электродами 3. Это происходит потому, что электронные «потенциальные ямы» в поверхностном и объемном п-каналах, заполняясь параллельно, быстрее уменьшают области пространственных зарядов - о»! в подложке ОПЗС под электродами -1. В силу сказанного, равенство в условии (26) наступит раньше, чем в условии (27). Немонотонный характер зависимости времени та от длины волны поглощаемого излучения, а также наличие осцилляций на этих зависимостях можно объяснить различной спектральной фоточувствительностью каналов ОПЗС для разных длин волн.

Из решения уравнений (22) -(24) получены зависимости величин, накапливаемых фотоэлектронов и фотодырок от времени накопления. Они носят - линейный характер, что хорошо наблюдается на примере фотоэлектронов, собираемых в поверхностном п-канале под электродами 1. Линейность указанных зависимостей в двух предельных случаях может быть объяснена следующим образом. о

При ^ <<с 1 (длинноволновая область спектра) в правой части уравнения (3) разложим в ряд Тейлора экспоненциальные слагаемые суммы в фигурных скобках, и учтем только линейные члены разложений. Тогда считая, что г| ~

Анализ показывает, что для выбранных параметров ОПЗС и уровней тактового управляющего напряжения, глубины проникновения ОПЗ в р-подложку мало отличаются друг от друга. Они также слабо зависят от величин накапливаемых фотозарядов, а, следовательно, и от времени накопления. Поэтому в выражении (30) приближенно можно считать, что со, « щ « щ ~ const ^ и поэтому получаем, что ц ~ т.

В другом предельном случае при %>у 1 (коротковолновая область спектра), пренебрегая экспоненциальными членами в (23), получаем, что

ЗЛ dt , Откуда также следует, что ц ~ т . Аналогичным образом с помощью уравнений (22) и (24) можно объяснить линейность характеристик = ^(т) и Л = Л <J)

Указанные временные зависимости по накоплению фотозарядов, согласно определениям (28) и (29), позволяют найти спектральные фоточувствительности каналов. В работе исследованы спектральные характеристики фоточувствительностей поверхностного и двух объемных каналов, рассчитанные для кремниевого ОПЗС с упомянутыми ранее параметрами. Из этого рисунка следует, что каналы кремниевого ОПЗС должны проявлять селективность в собственном поглощении оптического излучения. Максимумы спектральных фоточувствительностей каналов смещены относительно друг друга и приходятся на длины волн 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм соответственно для поверхностного n-канала, объемных р- и n-каналов. Это, по-видимому, определяется, во-первых, существенной дисперсией по дайнам волн коэффициента собственного поглощения

30) оптического излучения в кремнии вблизи края собственного поглощения. Во-вторых, ОПЗ, из которых происходит сбор в каналы фотозарядов, расположены на разной глубине от поверхности полупроводниковой р-п-р структуры и лишь частично перекрываются друг с другом. Причем, ОПЗ поверхностного п-канала тоньше ОПЗ других каналов. На основании сказанного поверхностный п-канал является более фоточувствительным к коротковолновому излучению и имеет меньший максимум спектральной фоточувствительности, чем объемный п-канал. Последний проявляет большую фоточувствительность к длинноволновому оптическому излучению.

Выполненные нами также численные расчеты показывают, что можно изменять в некоторой степени спектральные фоточувствительности каналов, изменяя в допустимых пределах толщины п- и р-слоев и концентрации легирующих примесей в них. Однако более существенным может оказаться метод, основанный на электрической обработке видеосигналов, считываемых из каналов ОПЗС. В этом случае складывая или вычитая видеосигналы с необходимыми весовыми коэффициентами, можно, по-видимому, лучше разделить максимумы спектральных характеристик фоточувствительностей. Простейший пример такой обработки видеосигналов описывается выражением (29), в работе получены соответствующие ему спектральные кривые фоточувствительностей.

Следует отметить, что в ОПЗС на основе полупроводников, имеющих более резкий, чем в кремний край собственного поглощения оптического излучения максимумы спектральных фоточувствительностей каналов должны быть смещены в сторону пороговой длины волны и разнесены по длинам волн в меньшей степени. Подтверждением этого являются исследованные спектральные фоточувствительности каналов, рассчитанные для трехканального ОПЗС, в котором в качестве полупроводникового материала выбран арсенид галлия. Зависимость х=Х(^) и величина 84 взяты из работы

117]. ПЗС, изготовленные на арсениде галлия, в силу ряда причин не получили своего развития. Однако данный пример, являясь экзотическим, интересен как иллюстрация влияния на фотоэлектрические характеристики ОПЗС особенностей дисперсии по длинам волн коэффициента собственного поглощения оптического излучения материалом полупроводника. В работе показано, что фоточувствительности поверхностного п-канала и объемного р-канала существенно различаются лишь для длин волн соответствующих границе собственного поглощения излучения в арсениде галлия. Для этих длин волн более резко выражена селективность поглощения излучения, по мере его проникновения в толщу полупроводника. Этим обстоятельством объясняются, по-видимому, сравнительно узкий интервал по длинам волн фоточувствительности объемного п-канала, а также формы спектральных кривых.

§ 4.3 Выводы.

В результате численного моделирования процесса фоторелаксации кремниевого трехканального объемного прибора с зарядовой связью установлена селективность собственного поглощения оптического излучения в его каналах, проявляющаяся, в различных спектральных характеристиках их фоточувствительностей.

Показано, что выбором материала полупроводниковой структуры ОПЗС (кремний, арсенид галлия), изменением его конструктивных параметров (толщин полупроводниковых слоев и концентраций легирующих примесей в них) можно изменять спектральные фоточувствительности каналов. Применение электрической обработки видеосигналов, считываемых из трех каналов ОПЗС, позволит сильнее трансформировать его спектральные характеристики фоточувствительностей настраивая их на необходимые спектральные диапазоны входного оптического сигнала.

Полученные результаты позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС как перспективный однокристальный спектрозональный ФЭПИ. Численное моделирование его фотоэлектрических характеристик на основе более точных моделей (двумерной или даже трехмерной), а также экспериментальная проверка результатов моделирования могут стать целями последующих исследований.

Заключение.

Основная идея потенциальных ям, движущихся вдоль поверхности полупроводника, привела к появлению множества электродных структур и изобретению различных приборов. В течении последних лет были хорошо изучены и подробно описаны. Были развиты общие основы теории ППЗ и установлены специфические ограничения их характеристик. Успехи в области исследований и разработок ПГТЗ были обобщены в работах [97, 119 - 125]. Несмотря на то, что основные процессы в ППЗ сейчас вполне понятны, современные результаты анализа многих сторон поведения этих устройств еще не полны. Это особенно относится к входным и выходным цепям, детальное теоретическое и экспериментальное исследование линейности и шумов которых еще только начинается. Процессы переноса подвижного заряда в ППЗ с различными электродными структурами исследованы достаточно хорошо, и имеющиеся модели достаточно точно предсказывают характеристики приборов для большинства применений. Все же для анализа на ЭВМ можно строить более сложные модели движения заряда с различными функциональными слоями, в том числе и трехмерные. Такие расчеты целесообразны, даже если они окажутся очень дорогостоящими и неочевидна немедленная польза от них для практических применений.

Приборы с зарядовой связью обладают специфическими функциональными свойствами, позволяющими строить разнообразные микроэлектронные аналоговые и цифровые устройства, как чисто электрические так и фотоэлектрические. К этим свойствам относится: хранение и направленная передача аналоговых сигналов, представляемых зарядовыми пакетами разной величины; фотоэлектрическое преобразование излучения в картину аналоговых зарядовых пакетов, которая также с помощью ПЗС может быть поэлементно с точной геометрической фиксацией сдвинута на выход и преобразована в видеосигнал Дополнительными свойствами ПЗС, позволяющими обрабатывать цифровую и аналоговую информацию являются: возможность аналогового и цифрового суммирования, деления и усиления зарядов; возможность неразрушающего считывания с требуемыми весовыми коэффициентами как отдельных зарядов, так и их совокупности на "плавающие шины"; возможность многократного ввода и вывода зарядовых пакетов. Для увеличения степени интеграции в объемных системах проведены исследования в магнитоупорядоченных структурах и структурах с неоднородным распределением параметров [126-130].

Итак: генерация (ввод) в кристалл полупроводника больших массивов аналоговой информации и хранение ее в течении некоторого времени без разрушения; возможность использования для этого ввода электрического и фотоэлектрического способов; осуществление направленного распространения (в том числе и циркуляции) этой информации в кристалле; возможность преобразования (обработки) информации по мере ее распространения; возможность неразрушающего доступа к информации, ее вывода; возможность использования как последовательного, так и параллельного принципа ввода - вывода - вот те отличительные функциональные особенности ПЗС, которые ставят их на особое место среди изделий микроэлектроники.

В заключении сформулируем основные выводы, полученные в диссертационной работе.

1. Установлено, что максимум спектральной фоточувствительности объемного р-канала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,55 мкм.

2. Показано, что максимальная фоточувствительность поверхностного п- канала в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС приходится на длину волны 0,73 нм.

3. Установлено, что 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. Обнаружено, что появление фотодырок в р- канале под боковыми электродами приводит к экранированию электрического поля, создаваемого в р-канале напряжением на боковых электродах, что обеспечивает уменьшение "бокового" потенциального барьера, удерживающего носители заряда в поверхностном канале, в результате чего происходит резкое увеличение потерь фотоэлектронов, генерируемых оптическим зондом и собираемых в п-канале под управляющим тактовым электродом с потенциалом Уб = 0 В.

6. Установлено, что электроны удерживаются в поверхностном канале лишь тогда, когда напряжение на "боковых" электродах выбрано в некотором диапазоне, определяемом величинами уровней тактового напряжения на управляющих электродах. Для рассматриваемого режима работы двухканальной структуры на основе ОПЗС (Ун = О В, Уср = -8 В, Ув = -20 В, тактовая частота видеосигнала í- 15 кГц) оптимальным является диапазон - 11 В <Уср < -10,5 В (т.е. \У6\ = (1,34-1,38)|^|).

7. Показано, что в экспериментально установленном диапазоне напряжений эффективность переноса фотоэлектронов в поверхностном п-канале двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС достигает наибольшего значения 99,76%, а эффективность переноса фотодырок в объемном р-канале уменьшается от 99,97 (при \Уб\ <10 В) до 99,76%.

8. Полученные результаты показывают, что увеличение эффективности одновременного переноса зарядов в двухканальной кремниевой структуре на основе ОПЗС возможно как за счет усовершенствования его конструкции, так и за счет оптимизации тактовой временной диаграммы импульсов напряжений на его управляющих и боковых электродах и применения в конструкции двухканального ОПЗС только объемных каналов п- и р-типов проводимости.

9. Рассмотрена одномерная физическая модель спектрозонального трехканального объемного прибора с зарядовой связью, имеющего поверхностный п - канал и объемные каналы п- и р-типов проводимости.

10. Получена система трех нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая процесс фоторелаксации в объемных каналах п- и р- типов проводимости в полупроводниковой структуре на основе ОПЗС.

11 .Получены зависимости средних поверхностных концентраций фотозарядов, накапливаемых в поверхностном и объемных каналах трехканальной кремниевой структуры на основе ОПЗС в зависимости от уровня напряжения на среднем электроде.

12.Получены зависимости времен фоторелаксации в поверхностном и объемных каналах кремниевой структуры на основе ОПЗС от длины волны поглощаемого излучения.

13.Установлена линейная зависимость от 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.

Н.Исследованыспектральныехарактеристики фоточувствительностей поверхностного и двух объемных каналов кремниевой структуры на основе ОПЗС.

15.Показано, что максимумы спектральных фоточувствительностей поверхностного и объемных каналов в кремниевой трехканальной структуре смещены друг относительно друга и приходятся на длины волн 0,5 мкм, 0,67 мкм и 0,83 мкм, соответственно, для поверхностного п- канала, объемных р- и п-каналов.

16.Показано, что смещение максимумов спектральных фоточувствительностей в поверхностном и объемных каналах определяется: во-первых, существенной дисперсией по длинам волн коэффициента собственного поглощения оптического излучения в кремнии вблизи края собственного поглощения; во-вторых, объемного пространственного заряда (ОПЗ), из которого происходит сбор в каналы фотозарядов, расположеные на разной глубине полупроводниковой р-п-р структуры и лишь частично перекрывающимися друг с другом.

17.Показано, что поверхностный п- канал, в котором ОПЗС тоньше ОПЗС других каналов, является более чувствительным к коротковолновому излучению и имеет меньший максимум спектральной фоточувствительности , чем объемный п-канал, причем последний проявляет большую фоточувствительность к длинноволновому оптическому излучению.

18.На основе численных расчетов показано, что можно изменять в некоторой степени спектральные фоточувствительности каналов, изменяя в допустимых приделах толщины п- и р-слоев и концентрации легирующих примесей в них.

19. Показана эффективность предложенного метода изменения чувствительности поверхностного и объемных каналов, основанный на электрической обработке видеосигналов считываемых из каналов ОПЗС.

20 .Показано, что 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.

21. В результате численного моделирования процесса фоторелаксации кремниевого трехканального ОПЗС установлена селективность собственного поглощения оптического излучения в его каналах, проявляющаяся в различных спектральных характеристиках их фоточувствительностей.

22.Показано, что выбирая материал полупроводниковой структуры ОПЗС(кремний, арсенид галлия) и варьируя его конструктивные параметры (толщины полупроводниковых слоев и концентрации легирующих примесей в них) можно изменять спектральные фоточувствительности каналов.

23.Установлено, что применение электронной обработки видеосигналов, считываемых с трех каналов ОПЗС, позволит сильнее трансформировать его спектральные характеристики фоточувствительностей, настраивая их на необходимые спектральные диапазоны выходного оптического видеосигнала.

24.Полученные результаты экспериментальных исследований и теоретического моделирования процессов фоторелаксации позволяют рассматривать трехканальный кремниевый ОПЗС как перспективный однокристальныйспектрозональный фотоэлектрический преобразователь изображения.

Список литературы.

1. Ю.Р. Носов, В.А. Шилин Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. М.: Сов. радио, 1976.

2. К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова и P.A. Суриса. М.: Мир, 1978.

3. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. Сб. статей Под ред. A.A. Васенкова, Я.А. Федотова, Вып. 3. М.: Сов. радио, 1978.

4. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. Под редакцией П. Йесперса, Ф. Ван де Виле, М. Уайта. Пер. с англ. Под ред. P.A. Суриса. М.: Мир, 1979.

5. Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений. Под ред. Б. Кейзена. Пер. с англ. Под ред. Н.И. Богачкова. М.: Мир, 1980.

6. Ф.П. Пресс. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1981.

7. Приборы с зарядовой связью. Под ред. М. Хоувза, Д. Моргана. Пер. с англ. Под ред. Ф.П. Пресса. М.: Энергоиздат, 1981.

8. Электронная промышленность, 1982, N 7.

9. Приборы с зарядовой связью. Под ред. Д.Ф. Барба. Пер. с англ. Под ред. P.A. Суриса. М.: Мир, 1982.

10. Э.Р. Караханян, В.А. Шилин. Динамические интегральные схемы памяти МДП-структурой. М.: Радио и связь, 1984.

11. Ю.Р. Носов, В.А. Шилин. Основы физики приборов с зарядовой связью. М. Наука, 1986.

12. V.K. Zworykin. The Ieonoscope. Pros. IRE, 1934.

13. N. Winer. In Cybernetics. N. Y. Wiley. 1948. p. 144.

14. J.M.L. Jassen. Discontinuous Low Frequency Delay Line with Continuously Variable Delay. Nature. 1952.

15. W.J. Hamman, J.F. Schanne, D.J. Waywood. Automatic Correction of timing Errors in Magnetic Tape Recorder, IEEE Trans, on Military Electronics. 1965.

16. G. Krause. Analog Speicherkette: Eine Neuartige Schaltung zum Speichern und Verzoegern von Signalen, Electronics Lett. 1967.

17. F.LJ. Sangster, K. Teer. Bucket Brigade Electronic - New Possibilities for Delay Time-Axis Conversion and Scanning. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1969.

18. F.L.J. Sangster. The Bucket Brigade Delay Line. A Shift Register for Analogue Signals. Philips Tech. Review. 1970.

19. F.L.J. Sangster. Integrated Bucket Brigade Delay Line Using MOS Tetrodes. Philips Tech. Review, 1970.

20. W.S. Boyle, G.E. Smith. Charge Coupled Semiconductor Devises, BSTJ, 1970.

21. D. Kahng, E. N. Nicollian. Monolithic Semiconductor Apparatus Adapted for Sequential Charge Transfer, Патент США 3651349, 1972.

22. W. E. Engler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. Surface Charge Transport in Silicon. Appl. Phis. Lett. 1970.

23. P. T. Panousis. A TRIM Bipolar Charge Storage Memory, IEDM, Washington. D. C., Abstract 2.4. 1970.

24. S. E. Wahlstrom. Single Rail MOSFET Memory with Capacitive Storage. Патент США 3533089 (1970).

25. R. W. Keyes, R. Landauer. Minimum Energy Dissipation in Ligic. IBMJ. 1970.

26. G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. F. Smith. Experimental Verification of the Charge Coupled Device Concept. BSTJ. 1970.

27. G. F. Amelio, M. F. Tompsett, G. F. Smith, Charge Coupled 8-Bit Shift Register. Appl. Phis. Lett. 1970.

28. С. H. Sequin, D. A. Sealer, W. J. Bertram, M. F. Tompsett, R. R. Buckley, T. A. Shankoff, W. K. McNamara. A Charge Coupled Area Image Sensor and Frame Store. IEEE Trans, on Electron Devices. 1973.

29. R. Lindner, Semiconductor Surface Varactor. BSTJ, 1962.

30. S. M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. Wiley. N.Y. 1969, c. 57-58, c. 340-362, c. 425-504, c. 505-555.

31. R. H. Walden, R. H. Krambeck, R. J. Strain, J. McKenna, N. L. Schryer, G. E. Smith. Buried Channel Charge Coupled Devices. BSTJ. 1972.

32. C-K. Kim, J. M. Early, G.F. Amelio, Buried Channel Charge Coupled Devices. NEREM. Boston. Record of Tech. Papes, Part 1. 1972.

33. L. J. M. Esser. Reristaltic Charge Coupled Devices: A New Type of Charge Transfer Devices. Electronic Lett. 1972.

34. D. Kahng. Charge Coupled Devices. Патент США 3700932. 1972.

35. M. F. Tompsett, G. F. Amelio, W. J. Bertram, R. R. Buckley, W. J. McNamara, J. C. Mikkelsen, D. A. Sealer. Charge Coupled Imaging Devices: Experimental Result. IEEE Trans, on Electron Devices. 1971.

36. G.F. Amelio. Computer Modelling of Charge Coupled Devices Characteristics. BSTJ. 1972.

37. N. Suzuki, H. Yanai. Computer Analysis of Surface Charge Transport Between Transfer Electrodes in Charge Coupled Device. IEEE Trans, on Electron Devices. 1974.

38. B. H. Yun, N. A. Patrin, A. J. Moore, J. S. Tzeng. Slow Start Phenomenon in Semiconductors CCD with Gap Between Phase Electrodes. IEDM. Washington, D. C. 1971.

39. V. A. Browne, K. D. Perkins. Buried Channel CCD's with SubMicron Electrode Spacings. CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc. 1974.

40. C. N. Berglund, R. J. Powell, E. N. Nicollian, J. T. Clemens. Two -Phase Stepped Oxide CCD Shift Register Using Undercut Isolation. Appl. Phys. Lett. 1972.

41. C. H. Sequin. Experimental Investigation of a Linear 500 - Element 3 - Phase Charge Coupled Devices. 1974.

42. C.-K. Kim, E. H. Snow, p - Channel Charge Coupled Devices with Resistive Gate Structure. Appl. Phys. Lett. 1972.

43. D.R. Collins, J. B. Barton, R. W. Brodersen, W. C. Rhines, S. R. Shortes, A. F. Tasch., Jr. Performance Characteristics of CCD Shift Registers Fabricated Using Aluminium - Anodized Aluminium -Aluminium Double Level Metallization. CCD Appl. Conf., San Diego, Proc., 1972.

44. D. R. Collins, S. R. Shortes, W. R. McMahon, R. C. Bracken, T. C. Penn. Charge Coupled Devices Fabricated Using Aluminium -Anodized Aluminium - Aluminium Double Level Metallization. J. Electrochem. Soc. 1973.

45. G. A. Hartsell, A. R. Kimetz. Design and Performance of a Three -Phase Double Level Metal 160*100 Element CCD Image. IEDM. Washington D. C. Tech. Digest. 1974.

46. W. J. Bertram, A. M. Mohsen, F. J. Morris, D. A. Sealer, C. H. Sequin, M. F. Tompsett. A Three Level Metallization Three-Phase CCD. IEEE Trans, on Electron Devises. 1974.

47. C. H. Sequin, D. A. Sealer, W. J. Bertram, R. R. Buckley, F. J. Mirric, T. A. Shankoff, M. F. Tompsett. Charge Coupled Image

Sensing Devices Using Three Level of Polysilicon. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap. 1974.

48. C. H. Sequin, , F. J. Morris, T. A. SHankoff, M. F. Tompsett, E. J. Zimany. Charge Coupled Area Image Sensor Using Three Levels Of Polysilicon. IEEE Trans, on Electron Devices. 1974.

49. W. E. Engeler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. Surface Charge Transport in Silicon. Appl. Phys. Lett. 1970.

50. W. E. Engeler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. The Surface - Charge Transistor. IEEE Trans, on Electron Devices. 1971.

51. W. F. Kosonocky, J. E. Carnes. Charge Coupled Digital Circuits. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1971.

52. W. F. Kosonocky, J. E. Carnes. Two-Phase Charge Coupled Devices with Overlapping Polisilicon and Aluminium Gates. RCA Review, 1973.

53. W. F. Kosonocky, J. E. Carnes. Design and Performance of Two -Phase Charge Coupled Devices with Overlapping Polysilicon and Aluminium Gates. IEDM., Washington, D. C., Tech. Digest. 1973.

54. M. J. J. Theunnissen, L. J. M. Esser. PCCD Technology and Perfomatice. CCD74 Int. Conf., Edinburgh, Proc. 1974.

55. D. M. Erb, W. Kotyczka, S. C. Su, C. Wang, G. Clough. An Overlapping Electrode Buried Channel CCD. IEDM, Washington, D. C., Tech. Direst. 1973.

56. K. -C. Kim. Two - Phase Charge Coupled Linear Imaging Devices With Self - Aligned Barrier. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1974

57. M. F. Tompsett, B. B. Kosicki, D. Kahng. Measurements of Transfer Inefficiency of 250-Element Undercut - Isolated Charge Coupled Devices. BSTJ. 1973.

58. P. P. Gelberger, C. A. T. Salama. Moat - Etched Two-Phase Coupled Devices. Solid-State Electronics. 1974.

59. A. J. Hughes, W. Eccleston, R. A. Stuart. A CCD on Gallium Arsenide. CCD74 Int. Conf., Edinburg, Proc. 1974.

60. I. M. Baker, J. D. E. Bcynon. Charge Coupled Devices with Submicron Electrode Separations. Electronics Lett. 1973.

61. D. K. Schroder. A Two-Phase Germanium Charge Coupled Devices. Appl. Phys. Lett. 1974.

62. R. H. Krambeclc, R. H. Walden, K. A. Pickar. Implanted-Barrier Two-Phase Charge Coupled Device. Appl. Phys. Lett. 1971.

63. R. H. Krambeck, R. H. Walden, K. A. Pickar. A Doped Surface two-Phase CCD. BSTJ. 1972.

64. D. Frohman-Bentchkowsky, M. Lenzlinger. Charge Transport and Storage in Metal-Nitride-Oxide-Silicon Structures. J. of Appl. Phys. 1969.

65. C. A. T. Salama. Two-Phase M. N. 0. S. Charge Coupled Devices. Electronics Lett. 1972.

66. R. H. Krambeck, R. J. Strain, G. E. Smith, K. A. Pickar. Conductively Connected Charge Coupled Devices. IEEE Trans, on Electron Devices. 1974.

67. W. E. Tchon, J. S. T. Huang. Staggered Oxide C4D Structure with Clocked Source Rereater. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1973.

68. C. M. Parks, C. A. T. Salama. VMOS Conductively Coupled Charge Coupled Device. Electronics Lett. 1973.

69. C. N. Berglund, H. J. Boll. Performance Limitation of the IGFET Bucket Brigade Shift Register. IEEE Trans, on Electron Devices. 1972.

70. J. A. Appels, H. Katter, E. Kodi. Some Problem Of MOS Technology. Philips Tech. Review. 1970.

71. J. A. Applets, M. M. Paffen. Lokal Oxidation of Silicon. New Technological Aspects. Philips Res. Rpts. 1971.

72. L. J. M. Esser, M. G. Collet, J. G. van Santen. The Peristaltic Charge Coupled Devices. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1973.

73. L. J. M. Esser. The Peristaltic Charge Coupled Device for High Speed Charge Transfer. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. 1974.

74. F. L. Schuermeyer, R. A. Belt, C. R. Young, J. M. Blasingame. New Structure for Charge Coupled Devices. Proc. IEEE. 1972.

75. A. M. Mohsen, R. Bower, T. C. McGill, T. Zimmermann. Overlapping-Gate Buried Channel Charge Coupled Devices. Electronics Lett. 1973

76. K. C. Gunsagar, C. K. Kim, J. D. Philips. Performance and Operation of Baried Channel Charge Coupled Devices. IEDM, Washington, D.C., Tech. Digest. 1973.

77. J. McKenna, N. L. Schryer. The Potential in a Charge Coupled Device with No Mobile Minority Carriers and Zero Plate Separation. BSTJ. 1973.

78. J. McKenna, N. L. Schryer. The Potential in a Charge Coupled Device with No Mobile Minority Carriers. BSTJ. 1973.

79. S. Shimizu, S. Iwamatsu, M. Ono. Charge Coupled Devices with Buried Channels Under Electrode Taps. App. Phys. Lett. 1973.

80. C.-K. Kim, R. H. Dyck. Low Light Level Imaging with Buried Channel Charge Coupled Devices. Proc. IEEE. 1973.

81. L. Walsh, R. H. Dyck. A New Charge Coupled Area Imaging Devices. CCD Appl. Conf., San Diego, Proc. 1973.

82. A. F. Tasch, R. W. Brodersen, D. D. Buss, R. T. Bate. Dark Current and Storage Time Consideration in Charge Coupled Devices. CCD Appl. Conf., San Diego, Proc. 1973.

83. W. E. Engeler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. Surface Charge Transport in a Multielement Charge Transfer Structure. J. of Appl. Phys. 1972.

84. C. H. Sequin, A. M. Mohsen. Linearity of Electrical Charge Injection into Charge Coupled Devices. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1974.

85. J. E. Carnes, W. F. Kosonocky, P. A. Levine. Measurements of Noise in Charge Coupled Devices. RCA Review. 1973.

86. M. F. Tompsett, E. J. Zimany. Use of Charge Coupled Devices for Delaying Analog Signals. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1973.

87. S. P. Emmons, D. D. Buss. Noise Measurements on the Floating Diffusion Input for Charge Coupled Devices. J.of Appl. Phys. 1974.

88. M. F. Tompsett. Surface Potential Equilibration Method of Setting Charge in Charge Coupled Devices. IEEE Trans, on Electron Devices. 1975.

89. A. M. Mohsen, M. F. Tompsett, C. H. Sequin. Noise Measurements in Charge Coupled Devices. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1974.

90. A. M. Mohsen, M. F. Tompsett, C. H. Sequin. Noise Measurements in Charge Coupled Devices. IEEE Trans, on Electron Devices. 1975.

91. C. H. Sequin, A. M. Mohsen. Linearity of Electrical Charge Injection into Charge Coupled Devices. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1975.

92. S. P. Emmons, A. F. Tasch, J. M. Caywood. A Low -Noise CCD Input with Reduced Sensitivity to Threshold Voltage. IEDM, Washington, D. C., Tech. Digest. 1974.

93. M. H. White, D. R. Lampe, F. C. Blaha, I. A. Mack. Characterization of Surface Channel CCD Image Arrays at Low Light Level. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1974.

94. D. D. Wen, P. J. Salsbury. Analysis and Design of Single-Stage Floating Gate Amplified. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap. 1973.

95. D. D. Wen. Design and Operation of Floating Gate Amplifier. IEEE J. of Solid-State Circuits, 1974.

96. D. D. Wen, J. M. Early, C.-K. Kim, G. F. Amelio. A Distribited Floating Gate Amplifier in Charge Coupled Devices. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap, 1975.

97. G. F. Amelio. The Impact of Large CCD Image Sensing Area Arrays. CCD74 Int. Conf., Edinburg. Proc. 1974.

98. W. E. Engeler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. A Memory System Based on Surface Charge Transport. IEEE Trans, on Electron Devices. 1971.

99. W. E. Engeler, J. J. Tiemann, R. D. Baertsch. A Memory System Based on Surface Charge Transport. IEEE J. of Solid-State Circuits.

1971.

100. N. G. Vogl, T. V. Harroun. Operating Memory System Using Charge Coupled Devices. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap.

1972.

101. J. J. Tiemann, R. D. Baertsch, W. E. Engeler, D. M. Brown. A Surface Charge Shift Register and Digital Refresh. IEEE J. Of SolidState Circuits. 1973.

102. P. K. Weimer, W. S. Pike, F. V. Shallcross, M. G. Kovac. Video Processing in Charge Transfer Image Sensors by Recycling of Signals Through the Sensor. RCA Review. 1974.

103. P. A. Levine. Measurement of CCD Transfer Efficiency by Use of Feedback to Increase the Effective Number of Transfers. IEEE J. of Solid-State Circuits. 1973.

104. A. L. Lancaster, J. M. Hartman. A Recirculating CCD with Novel Input and Output Structure. IEDM, Washington, D. C. Tech. Digest. 1974.

105. J. Shott, R. D. Melen. The Razorback CCD. A High Performance Parallel Input Delay Line Architecture. ISSCC, Philadelphia, Digest of Tech. Pap. 1975.

106. W. Dach, R. Newman. Intrinsic optical absorbation in single crystal germanium and silicon at 77 К and 300 K. Phys. Rev. 1955.

107. В.И. Хайновский, B.B. Уздовский, H.M. Гордо. Процессы переноса заряда в спектрозональных фоточувствительных двухканальных объемных приборах с зарядовой приборах. Известия вузов. Электроника, 1998, № 6, с. 49-51.

108. В.И. Хайновский, Н.М. Гордо, Вл.В. Уздовский, Р.А. Федоров. Экспериментальные исследования фотоэлектрических характеристик двухканальных спектрозональных объемных приборов с зарядовой связью. Материалы 8й Всероссийской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика 2001", Москва, 18-19 апреля 2001.

109. V.I. Khainovskii, V.V. Uzdovskii, N.M. Gordo. Photoelectrical characteristics of the spectrosonal three-channel bulk charge coupled devices. Proc. Jnt. Symp. Opt. Scien. Eng. Inst. 27 July -1 August 1997, San Diego, California, USA, Re 3137-31.

110. В.И. Хайновский, B.B. Уздовский, H.M. Гордо. Трехканальные объемные приборы с зарядовой связью. Труды конф. "Электроника и информатика - 97", Москва, ноябрь 1997 с. 175.

111.В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Н.М. Гордо, М.В. Зверев, А.Т. Берестов. Исследование фотоэлектрических характеристик трехканального объемного прибора с зарядовой связью. Труды юбилейной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" ("Датчик-98"), Гурзуф, 23-30 мая 1998 г., с.274-276.

112. В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Н.М. Гордо. Многоканальные спектрозональные фоточувствительные объемные приборы с зарядовой связью. Известия вузов. Электроника, 1999, № 3, с.45-54.

113. V.I. Khainovskii, V.V. Uzdovskii, N.M. Gordo, R.A. Fedorov. Multichannel Spectrozonal Photoelectric Bulk Charge Coupled Devices. Proc. Int. Conf. Optoelectponics 2000, Integrated Optics Devices IV, San Jose, CA, USA, 22-28 Jan.2000, v.3936, Re 3936-05, p.1-8.

114. В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Н.М. Гордо, Р.А. Федоров, Г.Г. Сазыкин, Вл. В. Уздовский. Исследование фотоэлектрических характеристик многоканальных объемных приборов с зарядовой связью. 3-я Международная конференция "Электроника и информатика - XXI век", 16-18 ноября 2000, МИЭТ, 2000, с.99 - 100.

115. В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Н.М. Гордо, Р.А. Федоров, Моделирование процессов фоторелаксации в интегральных объемных фоточувствительных приборах с зарядовой связью, Известия ВУЗ(ов) Электроника, 2000, N 1, с. 28-35.

116. Р.А. Федоров, Н.М. Гордо, Вл.В. Уздовский, Исследование процессов фоторелаксации в объемных каналах полупроводниковых структур на основе объемных приборов с зарядовой связью, Материалы Всероссийской научно-технической конференции, 17-18 апреля 2000, Москва, 2000, с. 12.

117. Оптические свойства полупроводников. Под ред. Р. Уиллардсона и А. Вира. М.: Мир, 1970.

118. О.И. Сафронова, В.П. Сондаевский, В.В. Уздовский, М.В. Зверев, А.Т. Берестов, Н.М. Гордо, ЦМД проводящие материалы в устройствах контроля параметров окружающей среды, Труды юбилейной научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" ("Датчик-98"), Гурзуф, 23-30 мая 1998 г., с.276-279.

119. W.S. Boyle, G. Е. Smith. Charge Coupled Devices -A New Approach to MIS Device Structure. IEEE Spectrum-8. 1971.

120. M. F. Tompsett. Charge TransferDevices. J. Vac. Sci. Technol. 1972.

121. R. Poirier. Les Dispositifs Semiconductors a Transfer de Charge. Revue Technique Thomson. 1973.

122. M. G. Collet, L. J. M. Esser. Charge Transfer Devices. Festkoerper Probleme XIII. 1973.

123. J. E. Carnes, W. F. Kosonocky. Charge Coupled Devices and Applications. Solid-State Technology. 1974.

124. M. F. Tompsett. CCD Technology. CCD74 Int. Conf., Edmburg, Proc. 1974.

125. D. F. Barbe. Imaging Devices Using the Charge Coupled Concept. Proc. IEEE. 1975.

126. Г.М. Гусаков, Н.М. Гордо, Г.Н. Сафонова, О.И. Сафронова, В.Н. Кукин, В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Методы двухимпульсной комбинированной лазерной рекристаллизации кремниевых островков для объемных интегральных схем,

Известия вузов. Материалы электронной техники, 1999, N 1, с.25-29.

127. Г.М. Гусаков, Н.М. Гордо, Г.Н. Сафонова, О.И. Сафронова, Б.И. Седунов, В.И. Кукин, В.И. Хайновский, В.В. Уздовский, Двухимпульсная комбинированная лазерная рекристаллизация кремниевых островков для объемных интегральных схем, Материалы международной конференции по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской, Москва, 1719 ноября 1998г. с. 96.

128. В.М. Елеонский, О.И. Сафронова, В.В. Уздовский, Н.М. Гордо, P.A. Федоров, Г.Г. Сазыкин, Слабонелинейные процессы развития неустойчивости в распределенных структурах с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок, легированных кремнием, Известия ВУЗ(ов), Электроника, 2001, № 1.

129. О.И. Сафронова, В.В. Уздовский, Г.М. Гусаков, Г.Н. Сафонова, В.Н. Кукин, Н.М. Гордо, P.A. Федоров, Г.Г. Сазыкин, Рекристаллизация кремниевых островков на слое диэлектрика методом двух импульсного лазерного отжига для объемной интеграции, IX Национальная конференция по росту кристаллов, 16-18 ноября, 2000, Москва, 2000, с. 352.

130. О.И. Сафронова, В.В. Уздовский, P.A. Федоров, Н.М. Гордо, Г.Г. Сазыкин, Вл. В. Уздовский. Исследование магнитоупорядоченных эпитаксиальных феррит-гранатов, легированных парамагнитными ионами, для устройств контроля параметров окружающей среды. 3-я Международная конференция «Электроника и информатика - XXI век», 16-18 ноября 2000, МИЭТ, 2000, с. 189 - 190.

В заключении выражаю глубокую благодарность моим научным руководителям канд. физ.-мат. наук Хайновскому Владимиру Ивановичу и профессору, докт. физ.-мат. наук Уздовскому Валерию Владимировичу за постоянное внимание и помощь при выполнении работы.