Полупроводниковый детектор излучения с модифицированной структурой внутреннего затвора

Полупроводниковый детектор излучения с модифицированной структурой внутреннего затвора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к технологии изготовления полупроводниковых детекторов излучения. Более конкретно, изобретение относится к способу взаимной организации областей полупроводника с различным легированием в детекторе и осуществления управления их электрическими потенциалами с целью максимального улучшения характеристик полупроводникового детектора излучения.

Уровень техники

Принцип действия полупроводниковых детекторов излучения основан на обратно смещенном pn-переходе, который создает в объеме полупроводника так называемую обедненную зону, в которой присутствует электрическое поле. Падающий фотон (или частица, например альфа- или бета-частица или протон) создает фотоэлектрический эффект, образуя в локальной области пары электрон/дырка. Электрическое поле обедненной области разделяет носители заряда, из которых один тип используется в качестве сигнального заряда. Измеренная величина сигнального заряда используется для определения интенсивности излучения.

Известным полупроводниковым детектором излучения является ПЗС (прибор с зарядовой связью), который может быть также назван прибором с переносом заряда (ППЗ), что означает, что перед измерением заряда производится его перенос на возможно большое расстояние. Первые ПЗС относились к типу устройств с поверхностным каналом переноса заряда, то есть транспортировка заряда производилась в граничном слое «кремний-двуокись кремния». Однако граничный слой содержит множество поверхностных дефектов, которые захватывают заряд, предназначенный для транспортирования, снижая, таким образом, эффективность переноса заряда. Значительным шагом, который привел к улучшению показателей ПЗС, явился переход к ПЗС со скрытым каналом, в которых перенос сигнального заряда происходил в канале, лежащем ниже поверхности.

В приборах с фронтальным освещением, в которых падающее излучение проходит через затворы переноса заряда (обычно изготавливаемые из поликристаллического кремния), указанные затворы и изолирующие материалы поглощают часть излучения. Особенно интенсивное поглощение имеет место в синей световой области, области ультрафиолетового (UV) излучения и в области мягкого рентгеновского излучения, а также для частиц низкой энергии, то есть имеет место снижение чувствительности детектора излучения в синей области. Очевидным путем улучшения чувствительности в синей области является использование приборов с тыльным освещением, в которых все цепи, работающие с зарядами, т.е. нечувствительные к свету слои материала большой толщины, находятся на передней стороне прибора.

Для того чтобы получить хорошую чувствительность в синей области традиционных ПЗС с тыльным освещением, требуется вытравливать нейтральную подложку с задней стороны, что делает такие приборы очень тонкими - обычно около 50 мкм или тоньше. Уменьшение толщины представляет собой трудный процесс, при котором вероятен низкий выход годных приборов при их производстве. Тонкая подложка также является причиной других проблем. Фотоны красного и ближнего ИК-излучений могут легко проникать в кремний на глубину, большую, чем толщина подложки, что приводит к плохой чувствительности в красной области и образованию интерференционных полос, т.е. волнообразной картины на изображении. Введение тонкого смещенного тыльного слоя, описанного, например, в патентах США 6025585 и 6259085, в сочетании с высокоомной подложкой позволяет в ПЗС с тыльным освещением использовать толстые, полностью обедненные подложки, что приводит к хорошей чувствительности в синей и красной областях.

Растекание заряда (блюминг) представляет собой мешающий эффект, который имеет место, когда яркая точка в изображении дает достаточно большой сигнальный заряд, чтобы заполнить карман накопления заряда соответствующего пикселя, и начинает заполнять карманы соседних пикселей. Данное явление можно предотвратить использованием антиблюминговых структур. Однако в представленном в патенте США 6259085 ПЗС с полностью обедненной подложкой и тыльным освещением такие антиблюминговые структуры отсутствуют. Другой проблемой является смазывание изображения, наблюдаемое в фазе переноса заряда, когда яркая точка добавляет заряд во все зарядовые пакеты, которые через эту точку транспортируются.

Еще одна проблема решения согласно патенту США 6259085, и вообще проблема ПЗС, заключается в том, что приходится транспортировать и считывать заряды всего кадра изображения, даже если интерес представляет лишь часть изображения, что лишает работу ПЗС гибкости и делает ее медленной. Указанные проблемы отсутствуют в активно-пиксельных датчиках (АПД), в которых считывание пикселей можно производить случайным образом и в которых отсутствует транспортирование заряда, что делает их быстродействующими, гибкими и невосприимчивыми к размазыванию изображения. Дефектные пиксели в АПД, в отличие от ПЗС, не влияют на другие пиксели, что увеличивает выход годных изделий при их производстве и снижает производственные затраты. Однако качество изображения может оказаться неудовлетворительным, если каждый пиксель не будет подключен к высококачественному усилителю. Наилучшим способом построения усилителя является использование накопленного заряда в качестве внутреннего затвора униполярного транзистора, например полевого транзистора с pn-переходом (JFET) или полевого транзистора со структурой «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET). Из указанных транзисторов JFET является предпочтительным. Структурно внутренний затвор состоит из потенциальной ямы с минимумом энергии для приема сигнальных зарядов, которая расположена под каналом полевого транзистора. Сигнальные заряды, собравшиеся в яме с минимумом потенциальной энергии, расширяют канал, уменьшая, таким образом, его сопротивление. Благоприятные свойства усилителя на полевом транзисторе с внутренним затвором объясняются малой величиной отношения паразитной емкости к суммарной емкости, которые сами по себе являются малыми величинами, а также возможностью считывания заряда без его разрушения, что позволяет производить многократное считывание сигнального заряда.

Хороший пример структуры с внутренним затвором представлен в патенте США 5712498, в котором внутренний затвор именуется просто «затвором», а фактический затвор назван «нижним затвором». В указанном патенте структура JFET представлена в виде скрытого канала, формирующего внутренний затвор. Области истока и стока JFET дополнительно изолированы при помощи оксида от полупроводниковой пластины. Такая структура усилителя предпочтительна для применения в приборах АПД, но равным образом может быть использована и в структуре ПЗС. Прибор имеет тыльное освещение и должен быть подвергнут утонению, чтобы получить хорошую чувствительность в синей области. Красная чувствительность неудовлетворительна из-за малой толщины прибора. Другой известный патент США 5786609 представляет детектор излучения типа АПД с тыльным освещением, содержащий JFET, оснащенный структурой внутреннего канала и толстой, полностью обедненной подложкой. Данный прибор обладает хорошей чувствительностью как в красной, так и в синей области. К тому же он имеет коэффициент заполнения 100%.

В конечном счете, предельные показатели полупроводниковых детекторов излучения определяются током утечки или темновым током, который смешивается с сигнальным зарядом, искажая результат измерения сигнала. Ток утечки может быть разделен на три составляющие. Причиной одной из составляющих являются обедненные области прибора. Поскольку работа полупроводниковых детекторов основана на обедненной области, эту составляющую тока устранить невозможно. Уменьшение размера обедненной области снижает данную составляющую тока, но, с другой стороны, ухудшает чувствительность к глубоко проникающему излучению. Единственно разумный путь уменьшения данной составляющей тока - это уменьшение количества дефектов в полупроводниковом материале, т.е. следует использовать высококачественные подложки и тщательно выбирать технологические процессы.

Вторая составляющая тока утечки - это ток диффузии, возникающий на границах обедненной области. Однако данная составляющая имеет значение только на границах обедненных областей, в материале с высоким омическим сопротивлением. В полностью обедненных детекторах, изготовленных из высокоомного материала, указанная составляющая тока имеет место только вне активной области, т.е. за пределами области, где расположены пиксели. Данную составляющую тока можно легко устранить, например, окружая активную область охранным кольцом, на которое подано напряжение смещения.

Третий, и обычно наиболее значимый источник тока утечки - это ток пограничного слоя, также известный как ток поверхностной генерации. Данная составляющая тока возникает в обедненных областях полупроводника, прилегающих к его поверхности или являющихся граничными с другими материалами. Далее в тексте данный ток будет именоваться поверхностным током.

Причина того, что поверхностный ток дает столь большой вклад в общий ток утечки, заключается в высокой плотности дефектов на поверхностях и в приграничных слоях. Кремний широко используют в качестве материала для детекторов, поскольку из него легко получаются подложки высокого качества, а граница раздела «кремний-двуокись кремния» дает сравнительно небольшое количество дефектов. Но даже в структурах детекторов на основе кремния поверхностный ток обычно является основным источником тока утечки. Например, в патенте США 6259085 поверхностный ток является основным источником утечки, несмотря на то, что рассматриваемое устройство в фазе накопления заряда работает в режиме массово-параллельной обработки (МПО) сигналов. Режим МПО используется для устранения поверхностного тока во время накопления заряда, но его нельзя использовать в процессе транспортирования заряда. Структура, рассматриваемая в патенте США 6259085, хорошо иллюстрирует природу проблемы тока утечки; структура содержит толстую, полностью обедненную кремниевую подложку, на этапе накопления заряда используется режим МПО, а поверхностный ток все равно является главным источником утечки.

Хорошо известным способом снижения тока утечки является эффективное охлаждение. Однако это требует применения либо сложных жидкостно-газовых охлаждающих устройств, либо элементов Пельтье с высоким энергопотреблением, при этом ни один из указанных способов не пригоден, в частности, для применения в портативных устройствах, у которых габариты и энергопотребление должны быть минимальными.

Природа слабых сторон структуры, описанной в патенте США 5712498, состоит в том, что отсутствует антиблюминговая структура и заряды поверхностной генерации не отделены от сигнальных зарядов. Однако структура более поздних версий такого обедненного p-канального полевого транзистора с pn-переходом (DEPFET) предполагает, что заряды поверхностной генерации могут быть собраны контактом очистки (в патенте имеет обозначение L). Даже несмотря на это структуре с внутренним затвором присущи серьезные ограничения. Прежде всего, требуется исключительно высокая однородность легирования внутреннего затвора (в патенте имеет обозначение 1). Во-вторых, использование полевого МОП транзистора (MOSFET) совместно со структурой внутреннего затвора является проблематичным, поскольку канал MOSFET должен быть все время открытым, чтобы не дать поверхностным зарядам смешиваться с сигнальными зарядами, находящимися в структуре внутреннего затвора. В-третьих, использование биполярного транзистора совместно со структурой внутреннего затвора является невозможным.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание структуры полупроводникового детектора излучения, в которой были бы исключены вышеупомянутые проблемы, свойственные существующим техническим решениям. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы создать полупроводниковый детектор излучения, который бы при осуществлении измерений отличался большей точностью и был менее подвержен влиянию токов утечки. Другая задача изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованную структуру полупроводникового детектора излучения для измерения сигнальных зарядов неразрушающим способом. И еще одной задачей настоящего изобретения является создание вертикальной антиблюминговой структуры, позволяющей реализовать коэффициент заполнения 100%.

Решение указанных задач достигнуто благодаря структуре модифицированного внутреннего затвора (МВЗ), которая дает возможность изолировать носители поверхностных токов от сигнального заряда.

Соответствующий изобретению полупроводниковый детектор излучения отличается признаками, содержащимися в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, характеризующего указанный детектор.

Соответствующий изобретению способ регистрации излучения отличается признаками, содержащимися в отличительной части независимого пункта формулы изобретения, характеризующего указанный способ.

Важным принципом настоящего изобретения является изоляция сигнального заряда от обедненных граничных слоев, что помогает достичь значительного уменьшения тока утечки. В структурах существующих детекторов, за исключением, пожалуй, новейших детекторов с обедненным p-канальным полевым транзистором с pn-переходом (DEPFET), сигнальный заряд не отделяется от областей обедненных граничных слоев, что означает, что заряды, сформировавшиеся в некоторых областях обедненных граничных слоев, будут добавляться к сигнальному заряду. Если бы сигнальный заряд удалось полностью изолировать от обедненных граничных слоев и считывать его неразрушающим образом, то в детекторах излучения можно было бы с большей легкостью использовать другие материалы, нежели кремний, и благодаря уменьшенным токам утечки увеличить точность измерений.

В настоящем изобретении такая изоляция достигается посредством многослойной структуры, в которой надлежащим образом чередуются слои или области полупроводникового материала с различным типом проводимости.

Имеется ряд аспектов полезного использования тех преимуществ, которые вытекают из изоляции поверхностных токов. Один из аспектов заключается в возможности выбора приоритета - либо увеличить точность измерений, либо работать с устройством при более высокой температуре, снизив требования к охлаждению. Очень важной явилась бы возможность перехода от жидкостного или газового охлаждения к охлаждению элементом Пельтье, что упростило бы конструкцию детектора. В германии, кремнии и других материалах, обладающих запрещенной зоной с непрямыми переходами, поглощение фотонов, имеющих энергию ниже определенного порога, основано на взаимодействии с фононами. Вероятность поглощения фотонов с участием фононов зависит от плотности фононов, которая в свою очередь зависит от температуры. Таким образом, увеличение рабочей температуры увеличивает квантовую эффективность детекторов для фотонов, энергия которых близка ширине запрещенной зоны, подобно фотонам ближней ИК-области спектра в кремнии. Другой важный аспект заключается в том, что граничные слои склонны к радиационному разрушению, что увеличивает поверхностный ток обедненного граничного слоя и снижает долговечность детекторов традиционной конструкции. Изоляция сигнального заряда от поверхностного тока, в соответствии с настоящим изобретением, помогает исключить данный недостаток.

Примеры осуществления изобретения, представленные в настоящей заявке, не следует трактовать как примеры, накладывающие ограничения на применимость формулы изобретения. Глагол «содержать» используется в настоящей заявке как не ограничительный, который не исключает существования не сформулированных признаков. Признаки, изложенные в зависимых пунктах формулы изобретения, допускают свободное взаимное комбинирование, если явным образом не оговорено иное.

Элементы новизны, которые рассматриваются в качестве отличительных признаков настоящего изобретения, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Тем не менее, само изобретение, как конструкцию, так и способ работы, а также дополнительные задачи и преимущества, можно будет наилучшим образом понять из последующего описания конкретных вариантов осуществления вместе с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен принцип построения структуры, соответствующей варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг.2 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки;

на фиг.3 представлено распределение потенциалов для электронов в трехмерном виде;

на фиг.4 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются электроны;

на фиг.5 представлен вариант построения структуры;

на фиг.6 представлены кривые распределения потенциалов для электронов в детекторе, в котором в качестве сигнальных зарядов используются дырки;

на фиг.7А представлена структура с канавками;

на фиг.7В представлена структура с канавками;

на фиг.7С представлена структура с канавками;

на фиг.7D представлена структура с канавками;

на фиг.7Е представлена структура с канавками;

на фиг.7F представлена структура с канавками;

на фиг.7G представлена структура с канавками;

на фиг.7Н представлена структура с канавками;

на фиг.7I представлена структура с канавками;

на фиг.8А представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.8В представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.9А представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.9В представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.10А представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.10В представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.11А представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.11В представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.12 представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.13А представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.13В представлена граница устройства с МВЗ;

на фиг.14 представлена граница устройства с МВЗ (отсутствует);

на фиг.15 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.16 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.17 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.18 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.19 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.20 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.21 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.22 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.23 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.24 представлен двухпиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.25 представлен трехпиксельный элемент устройства с МВЗ;

фиг.26 иллюстрирует принцип регистрации сигнального заряда;

фиг.27А иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором JFET;

фиг.27В иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором JFET;

фиг.27С иллюстрирует принцип действия другой структуры МВЗ с транзистором JFET;

фиг.28А дополнительно иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором JFET;

фиг.28В дополнительно иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором JFET;

фиг.29А иллюстрирует принцип действия структуры ВЗ с транзистором MOSFET;

фиг.29В иллюстрирует принцип действия структуры МВЗ с транзистором MOSFET;

на фиг.30 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.31 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.32 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.33 представлен однопиксельный элемент устройства с МВЗ;

на фиг.34 представлено устройство с МВЗ с плавающим эмиттером;

на фиг.35А представлен простой активно-пиксельный датчик (АПД);

на фиг.35В представлено устройство АПД с каналоограничивающими областями, полученными ионной имплантацией;

на фиг.35С представлено другое устройство АПД с каналоограничивающими

областями, полученными ионной имплантацией;

на фиг.35D представлен прибор с переносом заряда (ППЗ);

на фиг.35Е представлен другой ППЗ.

Осуществление изобретения

Многослойные структуры и распределение потенциалов

На фиг.1 показано поперечное сечение полупроводникового детектора с тыльным освещением. Тыльная поверхность, через которую излучение входит в детектор, на чертеже обращена вниз. От тыльной поверхности по направлению к фронтальной поверхности вначале может располагаться необязательный (дополнительный) противоотражающий, сцинтиллирующий или проводящий слой 101, при этом проводящим материалом может быть металл или прозрачный проводящий оксид (ППО). Поверх слоя 101 располагается тонкий проводящий тыльный слой 102, который используется для отвода вторичного тока за пределы активной области. Данный слой образован, например, легированием тыльной поверхности объемного слоя 103 примесью, создающей проводимость первого типа. Варианты, альтернативные двум указанным слоям 101 и 102, представлены в находящейся на рассмотрении заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения и содержание которой включено в настоящую заявку путем ссылки.

Желательно, чтобы объемный слой 103 детектора был выполнен из высокоомного полупроводникового материала (с концентрацией примеси около 10¹²/см³ или менее) с проводимостью первого или второго типа. Под типом проводимости здесь понимается тип примесной проводимости (дырочной или электронной), т.е. проводимости с избытком, соответственно, положительных или отрицательных зарядов. Далее, в направлении фронтальной поверхности находится слой 104 с проводимостью второго типа, выполненный, например, путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. В дальнейшем слой 104 именуется слоем «модифицированного внутреннего затвора» (МВЗ). С фронтальной стороны слоя 104 МВЗ находится слой 105, снова с проводимостью первого типа, который в данном описании называется барьерным. Барьерный слой 105 может быть получен, например, путем ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. Сверху слоя 105 могут находиться защитные изолирующие слои и проводящие слои, образующие межсоединения, затворы, конденсаторы и т.п.

В барьерном слое 105 выполнена структурная ионная имплантация участков или областей 111, 112, 113, 114, которые имеют проводимость второго типа, соответствуют элементам изображения (пикселям) и в дальнейшем называются участками или областями легирования элементов изображения (пикселей). Область между участками легирования пикселей, например, между участками 111 и 112, действует как каналоограничивающая область, которая изолирует пиксели и собирает вторичный заряд, образовавшийся, например, в граничных слоях обедненной области. Между пикселями могут быть размещены необязательные (дополнительные), каналоограничивающие участки 115, 116, 117, 118, 119 с проводимостью первого типа, полученные ионной имплантацией, которые находятся под потенциалом смещения или имеют плавающий потенциал.

Разность электрических потенциалов между участками 111 легирования пикселей и смещенным тыльным слоем (слоем 102 структуры по фиг.1) в данном описании называется напряжением Vp пикселя. Место, расположенное точно посередине между участками 111 и 112 легирования пикселей, называется каналоограничивающей областью. Разность электрических потенциалов между каналоограничивающей областью и смещенным тыльным слоем называется каналоограничивающим напряжением Vcs. Разность электрических потенциалов между участками легирования пикселей фронтальной стороны и смещенным тыльным слоем 102 во время фазы стирания заряда называется напряжением Vc стирания. Амплитуды указанных напряжений соотносятся следующим образом |Vc|>|Vp|>|Vcs|.

Для объяснения работы полупроводникового детектора по фиг.1 вначале предположим, что тыльный слой 102 обладает проводимостью n⁺-типа, слой 104 МВЗ имеет проводимость p-типа, барьерный слой 105 имеет проводимость n-типа, а участок 111 легирования пикселя имеет проводимость p-типа. Объемный слой 103 выполнен из высокоомного полупроводникового материала n-типа или p-типа, т.е. подложка является почти собственным полупроводником (i-типа).

На фиг.2 приведены функции распределения потенциалов для электронов в многослойной структуре по фиг.1 по перпендикуляру от фронтальной до тыльной поверхности, в точках легирования пикселей и каналоограничивающих областях, когда между ними и смещенным тыльным слоем 102 приложены различные напряжения. Плоские участки функции распределения потенциалов соответствуют нейтральным областям, а наклонные участки - обедненным областям. Кривая 201 представляет случай, когда между участком легирования пикселя и смещенным тыльным слоем имеется разность потенциалов Vc. Относительно большая отрицательная величина Vc предполагает, что кривая потенциала для электронов окажется монотонно спадающей линией от максимума в точке легирования пикселя до минимума в смещенном тыльном слое 102. Как показано в вышеупомянутой заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения, проводящий слой и дополнительный слой 101 могут быть заменены структурой, использующей обогащенный слой, расположенный в объемном слое 103, непосредственно рядом с указанной структурой, см. зону 211 на фиг.2. Что касается подробных сведений о получении обогащенного слоя и его использовании в работе детектора, то эти вопросы изложены в заявке Финляндии 20040966, которая наряду с настоящей заявкой находится в стадии рассмотрения.

Кривая 202 представляет изменение потенциала для электронов вдоль линии, отходящей перпендикулярно от точки легирования пикселя, при этом между указанной точкой и смещенным тыльным слоем действует напряжение Vp пикселя. Абсолютная величина Vp меньше, чем Vc, что означает, что функция 202 изменения потенциала для электронов не является монотонно спадающей линией, а имеет на своем пути определенные изгибы. Локальный максимум 215 находится в точке легирования пикселя, от которого функция изменения потенциала падает до локального минимума 216 в барьерном слое 105 (точка 216 представляет собой точку трехмерного седла как для сигнальных, так и для вторичных зарядов). От данного локального минимума функция изменения потенциала нарастает к локальному максимуму 212 в слое 104 МВЗ (точка 212 является точкой трехмерного минимума потенциальной энергии для сигнальных зарядов), от которого функция затем монотонно падает до локального минимума на поверхности проводящего слоя 102. Соответственно, функция изменения потенциала для электронов по перпендикуляру от каналоограничивающей области к смещенному тыльному слою представлена кривой 203, соответствующей напряжению Vcs между смещенной или плавающей каналоограничивающей областью и смещенным тыльным слоем. В данном случае функция изменения потенциала имеет местный потенциальный минимум 213 в каналоограничивающей области и потенциальный максимум 214 в слое 104 МВЗ, откуда функция монотонно падает до локального минимума на поверхности проводящего слоя 102.

Если просмотреть изменение потенциала для электронов поперек детектора, проходя поочередно «пиксели» (участки легирования пикселей, подключенные к Vp) и «каналоограничивающие области» (области, подключенные к Vcs), то получится диаграмма в виде волнообразной поверхности такого типа, какая грубо представлена на фиг.3. Линии изменения потенциала, которые точно соответствуют кривым 202 и 203 на фиг.2, на фиг.3 показаны утолщенными линиями. Хорошо видно, что имеет место соответствующий каждому пикселю локальный трехмерный максимум 212 потенциала в слое МВЗ, причем указанные максимумы отделены друг от друга в поперечном направлении зонами более низкого потенциала, совпадающими с каналоограничивающими областями. Соответственно, внутри барьерного слоя 105 имеет место локальный трехмерный минимум 213 потенциала, соответствующий каждой каналоограничивающей области, причем указанные минимумы отделены друг от друга в поперечном направлении зонами более высокого потенциала, совпадающими с пикселями. На фиг.3 также показана точка 216 трехмерного седла для сигнальных и вторичных зарядов, которая соответствует каждому пикселю. Поскольку речь идет о потенциалах для электронов, то любые свободные электроны в полупроводниковом материале будут предпочитать двигаться в направлении точек минимальной потенциальной энергии для электронов, в то время как дырки предпочтут собираться в точках максимальной потенциальной энергии для электронов, которые для дырок, естественно, являются точками минимальной потенциальной энергии.

Когда фотон или заряженная частица падает на детектор, в объемном слое 103 создается некоторое число электронов и дырок. Если рассмотреть ситуацию, представленную на фиг.2, электрическое поле перемещает электроны в направлении тыльной поверхности детектора, где происходит их сбор проводящим тыльным слоем и, возможно, обогащенным слоем. Дырки перемещаются в направлении слоя МВЗ, где благодаря вышеописанному распределению потенциальной энергии для электронов происходит их захват в точках 212, совпадающих с пикселями. С другой стороны, электроны, которые генерируются на фронтальной поверхности детектора, направляются каналом 216 и захватываются в барьерном слое точками локальных минимумов 213 потенциальной энергии для электронов, которые соответствуют каналоограничивающим областям. Дырки, которые генерируются на поверхности, собираются в точках локальных максимумов 215 потенциальной энергии для электронов - соответственно, в местах легирования пикселей. Такие образовавшиеся на поверхности дырки обычно должны были бы добавляться к сигнальному заряду. В данном же случае распределение потенциала внутри детектора изолирует образовавшиеся на поверхности дырки от сигнального заряда, который в рассматриваемом случае представлен дырками, которые вызваны излучением и которые захвачены слоем МВЗ.

На фиг.4 показано распределение потенциала для электронов в детекторе, в котором слой 102 является слоем p⁺-типа, слой 104 - слоем n-типа, слой 105 - слоем p-типа, а ионно-легированный участок 111 пикселя имеет проводимость n-типа. Объемный слой - это слой с собственной проводимостью (i). Поведение зарядов, индуцированных излучением, очень похоже на поведение зарядов, рассмотренное для детектора по фиг.2, только в данном случае роли электронов и дырок прямо противоположны. В потенциальных ямах, совпадающих с пикселями, собираются электроны, которые теперь составляют сигнальный заряд, а электроны, которые возникают на поверхности, не мешают измерению, так как собираются в местах легирования пикселей. Дырки, образовавшиеся на поверхности, захватываются в барьерном слое в каналоограничивающих областях. На фиг.4 кривая 401 представляет собой график монотонно нарастающего потенциала для электронов между точками легирования пикселей и тыльной поверхностью во время очистки сигнального заряда напряжением Vc, кривая 402 иллюстрирует изменение потенциала для электронов в месте расположения пикселя (Vp), а кривая 403 иллюстрирует изменение потенциала для электронов в каналоограничивающей области (Vcs). Электроны, выбитые излучением, собираются в точках 412, в то время как образовавшиеся на поверхности дырки захватываются в точках 413, а образовавшиеся на поверхности электроны собираются в точках 415, т.е. в местах легирования пикселей. Точки 411, 414 и 416 соответствуют точкам 211, 214 и 216 на фиг.2.

На фиг.5 представлен вариант осуществления структуры, в которой создан пиксельный слой 506 с проводимостью второго типа путем сплошной ионной имплантации или выращивания эпитаксиального слоя поверх барьерного слоя 105. Участки 511 и 512 легирования пикселей разделены, предпочтительно, обратносмещенными каналоограничивающими участками 516 легирования с проводимостью первого типа, причем указанные участки выполнены внутри пиксельного слоя 506. Каналоограничивающий участок 516 легирования, который в дальнейшем именуется каналоограничивающей областью, может быть таким же, как и затвор JFET транзистора или полученный ионной имплантацией эмиттер биполярного транзистора, о котором будет сказано далее. Желательно, чтобы в данном случае каналоограничивающая область 516 имела обратное смещение по сравнению с участком легирования пикселя. Если участок 516 легирования проходит слой 506 насквозь, ситуация по сути становится такой же, что и на фиг.1.

Функции распределения потенциала для электронов в структуре по фиг.5 представлены на фиг.6. Функции 201 и 202 распределения в направлении перпендикулярно от участков 511 и 512 легирования пикселей к смещенному тыльному слою 102 представляют случаи, когда указанные участки находятся, соответственно, под потенциалом стирания заряда и под рабочим потенциалом пикселя. Данные кривые идентичны кривым по фиг.2. В каналоограничивающих областях соответствующая функция 603 распределения потенциала отличается от кривой 203, показанной на фиг.2. У функции 603 имеется дополнительный локальный максимум 617 и дополнительный локальный минимум 618. Локальный минимум 213 потенциальной энергии для электронов собирает образовавшиеся на поверхности электроны, а канал 617 направляет образовавшиеся на поверхности дырки к локальному максимуму 215 потенциальной энергии для электронов на участок легирования пикселей. Функция 604 распределения потенциала представляет собой возможный профиль напряжения в каналоограничивающей области, при которой осуществляется сток электронов из потенциального минимума 618. Это может быть сделано, например, путем понижения абсолютной величины разности напряжений между фронтальной поверхностью и тыльной поверхностью кристалла.

Границы устройств, соответствующих фиг.1 и фиг.5, не показаны. Границы должны быть нейтральными, чтобы предотвратить появление избыточных токов утечки на краях кристалла, которые значительно увеличат энергопотребление устройства. Область нейтральной границы можно получить, используя охранные структуры. Некоторые примеры таких структур, в основе которых лежат канавки, представлены на фиг.7А - 7Н. На многослойных структурах, показанных на фиг.1-5, представлен только слой 104 МВЗ. На фиг.7А представлена простая структура с канавками, заполненными изолирующим материалом 701. На фиг.7В на дне канавки образована легированная область 710 с проводимостью первого типа путем перпендикулярной ионной имплантации до заполнения канавки изолирующим материалом. После указанной операции легирования можно также провести перпендикулярную или наклонную глубокую ионную имплантацию, т.е. высокоэнергетическую имплантацию примеси, создающую проводимость второго типа, с образованием легированной области с проводимостью второго типа ниже легированной области 710, обладающей проводимостью первого типа (это также относится к структурам на фиг.7C и 7D). Перед заполнением канавки можно осуществить жидкое травление.

Более сложная структура с канавками представлена на фиг.7С, где вначале наклонной ионной имплантацией было произведено легирование стенок канавки примесью, создающей проводимость второго типа. Затем было продолжено травление, и, как результат, на стенках канавки образованы легированные области 711 и 712 с проводимостью второго типа. По окончании процесса травления перпендикулярной ионной имплантацией на дне канавки была создана легированная область 710 с проводимостью первого типа. Перед заполнением канавки изолирующим материалом 701 может быть произведена операция жидкого травления. Все указанные операции могут быть выполнены при однократном маскировании. До изготовления канавки или после ее изготовления могут быть созданы дополнительные (необязательные) легированные области 721 и 722 с проводимостью первого типа. Следует отметить, что если канавка окружает какую-то область, слои МВЗ внутри и снаружи канавки могут находитьс