[發明專利]三端復合介質柵光敏探測器及其探測方法

有效

• 申請號: 201110416672.7
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN103165725A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 閆鋒;夏好廣;胡悅;卜曉峰;吳福偉;馬浩文
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/113
• 分類號: H01L31/113;H01L31/0224;G01J1/42
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 陳建和

1.三端復合介質柵光敏探測器，其特征是三段復合介質柵探測器結構包括P型半導體襯底(1)、在所述襯底正上方依次設有底層絕緣介質(6)，光電子存儲層(5)，頂層絕緣介質(4)，控制柵(3)；P型半導體襯底中靠近疊層介質的任一側通過離子注入摻雜形成高濃度N⁺型漏極(2)；所述光電子存儲層(5)是多晶硅、Si₃N₄或其它電子導體或半導體；控制柵極(3)是多晶硅、金屬或其他透明導電電極，控制柵極面或基底層至少有一處為對探測器探測波長透明或半透明的窗口；頂層絕緣介質(4)一般為寬帶半導體，以保證電子從襯底穿越勢壘而進入存儲層后不會進入柵極(3)；頂層絕緣介質的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化鋁/氧化硅、氧化硅、氧化鋁或其它高介電常數介質材；底層介質材料可以采用氧化硅或其它高介電常數介質。

2.根據權利要求1所述的三端復合介質柵光敏探測器，其特征是底層絕緣介質(6)為：氧化硅4-10nm、氮化硅4-10nm，也可以為HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度為4-10nm。頂層絕緣介質(4)可以為氧化硅10-20nm，也可以為HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度為10-20nm，還可以為氧化硅/氮化硅/氧化硅復合結構，其等效SiO₂厚度為10-20nm。光電子存儲層(5)可以為多晶硅50-150nm或氮化硅3-10nm。控制柵(3)可以為多晶硅50-200nm，也可以為金屬或其它透明導電電極。

3.根據權利要求1或2所述的三端復合介質柵光敏探測器探測方法，其特征是曝光編程過程：在探測器的襯底(1)加一負偏壓脈沖VBp，漏端(2)加一正偏壓脈沖VDp，同時控制柵(3)要加零偏壓或加正向偏壓脈沖VGp.襯底表面和漏區會產生耗盡層.光子進入耗盡層激發產生光電子；一部分光電子在柵極(3)和漏極(2)電場的驅動下向著柵極(3)方向加速移動，當電子能量超過氧化層勢壘，就會越過底層介質(6)注入電荷存儲層(5)實現光電信號收集，完成曝光編程過程；電荷存儲層(5)電荷量的變化導致器件閾值電壓發生變化，這個變化量可以通過讀取過程得到，進而可以知道光電子存儲層中光電子數目；

信號讀取過程：探測器的讀取過程是基于柵壓誘導漏端漏電流(GIDL)的方法操作，N型漏端(2)的電流強烈依賴于漏端(2)與電荷存儲層(5)之間的電場、且為指數關系；具體操作為：在漏端(2)加一正偏壓VDread，同時控制柵(3)要加負偏壓VGread，襯底1VBread接地，測試漏端電流Id，則漏端電流大小受到光電子存儲層(5)電勢的影響，電荷存儲層存儲的電子數越多，GIDL電流會越大，這樣讀到的電流數可以側面表征收集到的光電子量，能夠認為是光強的信號強度；

復位擦除：復位操作采用類似Flowler-Nordheim隧穿方式，在柵極(3)加一個負高壓VGreset，漏端(2)和襯底(1)都同時施加一個正電壓脈沖Vbase，在底層絕緣介質兩邊電場達到10MW/cm時，電子會從電荷存儲層隧穿進入溝道或漏區實現復位擦除功能。

4.根據權利要求3所述的三端復合介質柵光敏探測器探測方法，其特征是信號讀取過程中測試漏端電流Id的實際操作過程中為了更準確讀取收集到的光電子數目，采用兩次讀取方法，具體操作為在無光下編程后讀取一次得到電流Id₀，曝光編程后讀取一次得到讀取電流為Id₁，兩次讀取電流做差(ΔId＝Id₁-Id₀)最終的信號大小。

5.根據權利要求3或4所述的三端復合介質柵光敏探測器探測方法，其特征是曝光過程中在襯底1加一負偏壓脈沖VBp，漏端(2)加一正偏壓脈沖VDp，同時控制柵(3)要加零偏壓或加正向偏壓脈沖VGp.讀取過程中在襯底1接VBread，漏端(2)加一正偏壓脈沖VDread，同時控制柵(3)要加正向偏壓脈沖VGread；

VBp取值范圍為-8V～-0.5V，VDp范圍為0.5V～5V，VGp為0.1V～10V，VBread取值范圍為-1V～1V，VDread取值范圍為0.1V～7V，VGread取值范圍為-10V～0.1V。