[發明專利]基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器及其信號讀取辦法

有效

• 申請號: 201210442007.X
• 申請日: 2012-11-07
• 公開（公告）號: CN102938409A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 閆鋒;馬浩文;沈忱;卜曉峰;吳福偉;夏好廣;張佳辰
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H04N5/335;H04N5/374
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 徐激波

1.基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是每個單元探測器都是由兩個晶體管構成，利用兩個晶體管分別實現感光和讀取功能即感光晶體管和讀取晶體管：兩個晶體管都是形成在復合介質柵MOSFET基底P型半導體材料（1）上方，兩個晶體管通過淺槽STI隔離隔開，基底P型半導體材料正上方分別設有底層和頂層二層絕緣介質材料和控制柵極（2），二層絕緣介質材料之間設有光電子存儲層（4），讀取晶體管設有源漏極，用以讀取信號；兩個晶體管之間通過光電子存儲層相連，使得讀取晶體管能夠讀到感光晶體管通過感光存儲到光電子存儲層的光電子。

2.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是雙晶體管光敏探測器的結構是，半導體襯底正上方依次設有底層絕緣介質5，光電子存儲層4，頂層絕緣介質3，控制柵2；半導體襯底1中（在讀取晶體管一側）通過離子注入摻雜形成N型源極6a和漏極6b；兩個晶體管之間通過淺槽隔離7隔離開；所述電荷存儲層4是多晶硅、Si₃N₄或其它電子導體或半導體；感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵（光電子存儲層4）；控制柵2是多晶硅、金屬或透明導電電極，控制柵極面或襯底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。

3.根據權利要求1或2所述的基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是絕緣介質一般為寬帶半導體，其中底層介質材料采用氧化硅、SiON或其它高介電常數介質；頂層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料。

4.根據權利要求1或2所述的基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是兩個晶體管是開關管的結構，兩個晶體管上方的底層介質層和頂層介質層厚度不同；感光晶體管上方的介質層厚度為2nm-6nm、低于讀取晶體管上方的介質層>6nm的厚度。

5.根據權利要求1或2所述的基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器單元能夠構成探測器陣列，在探測器陣列中，每個探測器單元的讀取晶體管和感光晶體管采用不同的架構；探測器讀取晶體管采用閃存的NOR架構，探測器感光晶體管采用閃存的NAND架構。

6.基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器的工作方法，其特征是雙晶體管光敏探測器光電子收集、儲存的步驟：柵極加正偏壓脈沖，在P型半導體中形成耗盡層，當光入射到耗盡層中光子被半導體吸收時，產生光電子，光電子在柵極電壓的驅使下移動到溝道和底層絕緣層的界面處：增加柵極電壓，當電壓足夠大的時候，光電子通過F-N隧穿后進入電荷儲存層4，如果光子能量足夠大，大于半導體與底層絕緣介質的△E_C光電子直接隧穿進入電荷存儲層4，電荷存儲層存入光電子后會使讀取晶體管產生闊值電壓的漂移，即讀取晶體管漏極電流的漂移，通過對曝光前后漏極電流漂移量測量定出光電子存儲層中光電子數目；在搜集光電子的階段，讀取晶體管源漏接地，使得共源的讀取晶體管不會影響到光電子的收集。

7.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器的信號讀取方法，其特征是光電子的收集的步驟：在探測器感光晶體管柵極加上（0V-15V）正電壓，襯底加上（-10V-0V）的負電壓將在P型半導體基底耗盡區中形成的光電子收集到感光晶體管和讀取晶體管共有的光電子存儲層；

光電子的讀出放大：由于感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵（電荷存儲層4），感光晶體管在曝光過程中收集到的電荷存儲層的光電子是可以被讀取晶體管讀到的；將探測器讀取晶體管的源極和基底接地，漏極接合適正電壓（如0.1V以上即可），通過調節柵極電壓（如1-3V）使讀取晶體管工作在線性區；通過對輸出漏極電流的直接測量，即測量曝光前后漏極電流的兩個值進行比較來確定光信號的大小，得到漏極電流的變化量與感光晶體管收集到的光電子數目的關系如下

ΔIDS=μnCoxWL·NFGqCT·VDS---(a)]]>

其中△I_DS為曝光前-曝光后漏極電流變化量，N_FG為光電子存儲層上存儲的光電子數目，C_T為探測器光電子存儲層的總等效電容，C_ox為光電子存儲層和襯底之間柵氧化層電容，W和L分別為探測器溝道的寬度和長度，μn為電子遷移率，V_DS為漏極與源極的電壓差；

復位：在探測器柵極上加負偏壓，襯底適當正偏壓，讀取晶體管源極加和襯底相同正偏壓。當正負電壓的壓差足夠高，光電子存儲層中儲存的光電子通過隧穿被掃回讀取晶體管源極中。