[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

技術領域

本發明涉及成像探測器件，尤其是關于紅外、可見光波段至紫外波段的成像探測器件工作機制，是一種三端復合介質柵光敏探測器及其探測方法

背景技術

圖像傳感器在當今社會應用非常廣泛，如移動手機、數碼相機、各種攝像機以及國防探測領域，當前發展的主要成像探測器是CCD和CMOS-APS兩種類型，CCD出現較早，技術相對比較成熟，它的基本結構是一列列MOS電容串聯，通過電容上面電壓脈沖時序控制半導體表面勢阱產生和變化，進而實現光生電荷信號的存儲和轉移讀出，CMOS-APS每個像素采用二極管和多個晶體管組成，通過設置二極管狀態，讀取曝光前后的變化情況得到光信號。

CMOS-APS由于某些優點近年來受到更大的關注，CCD由于是電容串聯，一個電容有問題會影響整行信號的傳輸，所以對工藝要求極高，成品率和成本不夠理想。而CMOS-APS它的每個像素都是相互獨立的，在整個信號傳輸過程中不需要串行移動電荷，某一個像素出現問題不影響其他像素性能，所以克服了CCD在此方面的缺點，所以對工藝要求也不是那么苛刻。COMS由于采用單點信號傳輸，通過簡單的X-Y尋址技術，允許從整個排列、部分甚至單元來讀出數據，從而提高尋址速度，實現更快的信號傳輸。

高分辨的圖像傳感器成為一個重要的研究方向，目前CCD與CMOS都有千萬級像素的產品，都力圖進一步縮小像素尺寸提高分辨率，CCD因為受到邊緣電場等效應使得他像素尺寸的很難在2um以下進一步縮小。而CMOS-APS隨著CMOS工藝節點的縮小像素尺寸也可以進一步縮小，不過CMOS-APS每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個像素的感光區域只占據像素本身很小的表面積，靈敏度和分辨率相對較小。另外CMOS-APS每個像素包含多個晶體管來完成引址選通等操作，一般的像素單元包含三個晶體管，這決定了他的像素尺寸縮小受到很大的限制。通過更小的工藝節點和電路共享等方法實現像素尺寸的不斷縮小，目前已經可以達到單像素尺寸1.1um。

高分辨的成像探測器無論在商業及國防領域都有著重要的應用，業界不斷在努力追求更小的像素尺寸，在此方面本發明人已提出一種基于復合介質柵的光敏探測器結構的專利申請，采用與CMOS工藝兼容的器件結構，可以有效降低像素面積。但是更簡單的探測器結構在像素尺寸的縮小和簡化工藝方面仍有余地，并提高分辨率。

發明內容

本發明的目的是：提出一種新型光電探測器結構和探測方法，尤其提出一種基于三端復合介質柵結構的探測器和探測方法，可以有效的進一步減小像素尺寸。本發明目的還在于提出一種更簡單的探測器結構和工作方式(探測方法)，并提高分辨率。

本發明的技術方案是：基于三端復合介質柵結構的探測器，其中涉及的三端復合介質柵光敏探測器結構(如圖1)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。所述兩層絕緣介質(4)、(6)能有效隔離電荷存儲區，使電荷限制在存儲層(5)內實現存儲功能，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)。頂層介質的材料可以采用氧化硅/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；

本發明三端復合介質柵光敏探測器的探測方法為：曝光編程過程：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.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。因為是通過熱電子注入，不需要很高的隧穿電場。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