[發明專利]倍增寄存器結構以及包括該倍增寄存器結構的EMCCD

有效

• 申請號: 202010567950.8
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111787247B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 白雪平;楊洪;鄭渝;曲鵬程
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第四十四研究所
• 主分類號: H04N5/372
• 分類號: H04N5/372;H01L31/107;H01L31/0352;H01L27/148
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 王海軍

本發明屬于半導體器件技術領域，涉及一種能夠提高EMCCD響應線性度的結構，具體涉及倍增寄存器結構以及包括該倍增寄存器結構的EMCCD；所述倍增寄存器結構，包括襯底和位于襯底之上的埋溝；在埋溝上覆蓋有柵介質，在柵介質上形成有第一電極Ф1、第二電極Фdc、第三電極Фem和第四電極Ф3；這四個電極依次對應為第一轉移相、直流相、倍增相以及第二轉移相；將倍增相對應的埋溝劃分為倍增埋溝和電荷埋溝，所述倍增埋溝用于電荷倍增；所述電荷埋溝用于存儲倍增后的電荷；本發明提供了倍增寄存器結構以及EMCCD，將倍增寄存器分成兩部分，一部分用來倍增，一部分用來存儲電荷，這樣可以有效避免倍增電場的降低。

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，涉及一種能夠提高EMCCD響應線性度的結構，具體涉及倍增寄存器結構以及包括該倍增寄存器結構的EMCCD。

背景技術

雪崩倍增效應在半導體器件中很常見，在硅半導體中，當電子經過高于10⁵V/cm的電場時，便會發生雪崩倍增。一般電荷耦合器件(Charge-coupled Device，簡稱CCD)施加10V驅動電壓便可產生10⁵V/cm的電場，因此，普通CCD中也存在雪崩倍增效應，由于倍增率很低，不容易被我們發現。電子倍增CCD(Electron-Multiplying，簡稱EMCCD)就是通過在轉移電極上施加高電壓，使得載流子發生雪崩倍增，倍增率高于普通CCD的倍增率，從而實現電子倍增。

EMCCD與普通CCD不同之處是在水平寄存器和讀出放大器之間增加了一串倍增寄存器，信號電子在倍增寄存器中實現倍增放大，極微弱光信號經過倍增寄存器放大后被讀出放大器讀出，使得CCD器件探測靈敏度不再受讀出放大器噪聲限制，提高CCD器件的探測靈敏度。倍增寄存器利用電荷的“碰撞電離”效應實現對信號電子的倍增放大，因此EMCCD技術也稱為“片上增益”技術，是真正意義上的全固態微光成像器件。

EMCCD倍增寄存器結構如圖1所示。其中電極Ф1和Ф3由標準幅值時鐘驅動(約10V)，Фdc為直流相(直流電平約2V)，Ф2加的電壓遠比僅僅用于轉移電荷的電壓高很多(約40～50V)，由于Ф2和Фdc間巨大的電壓差，在Ф2和Фdc間產生巨大的電場強度使得電子在轉移過程中發生“撞擊離子化效應”，也稱作雪崩倍增效應，產生新的電子，即所謂的倍增或增益。

倍增寄存器倍增時電勢分布如圖2所示，倍增相Ф2和直流相Фdc之間巨大的電壓差，產生巨大的電場強度使得電子從價帶躍遷到導帶，在CCD電荷轉移過程中發生“撞擊離子化效應”，離化系數(也稱為離化率)為電子或空穴沿著電場方向加速運動時，因碰撞離化而產生新的電子-空穴對所需經過的平均距離的倒數。離化率α_n的大小取決于倍增電場的大小，如下式(1)所示：

α_n＝A_nexp(-b_n/E) (1)

其中An、bn為經驗值，倍增電場E由下式(2)表示：

E＝ΔV/w (2)

W為倍增電場寬度，ΔV為Фem和Фdc間埋溝電勢差。

倍增電場區內產生電子數由下式(3)表示：

dn(x)/dx＝α_n(x)n(x) (3)

α_n(x)為x處的電離率，n(x)為x處的電子數。

則倍增電場寬度為W的區域內增益g為：

將倍增電場E的公式(2)和電離率公式(1)代入增益公式(5)則得到增益和電勢差的公式：