[發明專利]基于復合介質柵結構的光敏探測單元、探測器及其方法

有效

• 申請號: 202010401621.6
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111554699B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: 閆鋒;王子豪;沈凡翔;李張南;王凱;胡心怡
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L27/146
• 分類號: H01L27/146;H01L29/423
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 李媛媛

1.基于復合介質柵結構的光敏探測單元，包括具有感光功能的復合介質柵MOS-C部分和具有讀取信息功能的復合介質柵MOSFET部分，其中，復合介質柵MOS-C部分包括在P型半導體襯底上方依次疊設的第一底層介質層、電荷耦合層、第一頂層介質層和第一控制柵極，在P型半導體襯底中且第一底層介質層的下方設有N型注入層；復合介質柵MOSFET部分包括N型源極區、N型漏極區以及在所述P型半導體襯底上方依次疊設的第二底層介質層、所述電荷耦合層、第二頂層介質層和第二控制柵極，其特征在于，所述光敏探測單元還包括具有復位功能的復位管部分，所述復位管部分包括在所述P型半導體襯底上方依次疊設的第三底層介質層、復位浮柵層、第三頂層介質層和復位柵極；

所述P型半導體襯底中且靠近第一底層介質層的一側設有N型連接層，N型連接層與所述N型注入層相連，且N型連接層延伸至第三底層介質層的下方；

在所述P型半導體襯底中，所述N型注入層分別與N型源極區、N型漏極區、復合介質柵MOSFET部分下方的襯底、復位柵下方的襯底之間通過設置淺槽隔離區和P+型注入區隔開。

2.根據權利要求1所述的基于復合介質柵結構的光敏探測單元，其特征在于，在所述P型半導體襯底中且第三底層介質層的下方設有閾值調節注入區。

3.利用如權利要求1所述基于復合介質柵結構的光敏探測單元組成的光敏探測器，其特征在于，多個所述光敏探測單元在同一P型半導體襯底上排成陣列形成探測器，其中，所述復合介質柵MOS-C部分之間設置深槽隔離區和P+型注入區，用于隔開各個光敏探測單元；所述復合介質柵MOSFET部分之間采用閃存的NOR架構進行互聯；NOR架構中共用一個N型源極區的兩行光敏探測單元也共用一個所述復位管部分；同一行探測單元的控制柵極相互連接為字線，同一列探測單元的N型漏極區通過金屬層相互連接為位線，同一行的復位柵相互連接并與同一行的N型源極通過金屬層相互連接作為源線。

4.利用如權利要求3所述探測器的探測方法，其特征在于，所述復合介質柵MOS-C部分與復合介質柵MOSFET部分用于收集、儲存和讀取感光的光電子，所述復位管部分用于清空復合介質柵MOS-C部分儲存的電子來進行復位。

5.根據權利要求4所述的探測方法，其特征在于，所述復合介質柵MOS-C部分進行復位時，所述字線加負偏壓，源線加正偏壓脈沖，P型半導體襯底加零偏壓，在P型襯底表面形成空穴積累，N型注入層中的電子流經復位管和源線排出探測器，在P型襯底中以及N型注入層中形成耗盡層。

6.根據權利要求5所述的探測方法，其特征在于，所述復合介質柵MOS-C部分儲存的電子清空后且光電子收集時，源線從正偏壓回到零偏壓，P型半導體襯底和字線的電壓保持與復位時的相同值；當光入射到耗盡層中光子被半導體吸收時，產生光電子，光電子在耗盡層電場的驅使下移動到N型注入層中，且被儲存于N型注入層中。

7.根據權利要求6所述的探測方法，其特征在于，探測器讀取光電子信號時，將P型半導體襯底加零偏壓，要讀取的光敏探測單元所在列的位線加正偏壓，所在行的源線加零偏壓，所在行的字線加正的漸變的斜坡電壓，使得一部分N型注入層中的儲存的電子縱向移動到P型半導體襯底的上表面，表面處的電位由光敏探測單元在曝光時所儲存的光電子的數目而定，而且表面處的電位會通過電荷耦合的作用影響電荷耦合層的電位，從而影響用以讀取的復合介質柵MOSFET部分的閾值電壓；其余行的字線的電壓與曝光時所加的電壓相同，對位線中的電流進行測量，記錄位線中電流到達給定電流值的柵極電壓的大小，該柵極電壓即為復合介質柵MOSFET部分的閾值電壓；曝光后讀取的閾值電壓相比于復位后讀取的閾值電壓有一定的變化，該變化量與曝光時N型注入層中所儲存的光電子數目成線性關系。