专利名称：三端复合介质栅光敏探测器及其探测方法
技术领域：
本发明涉及成像探测器件，尤其是关于红外、可见光波段至紫外波段的成像探测器件工作机制，是一种三端复合介质栅光敏探测器及其探测方法
背景技术：
图像传感器在当今社会应用非常广泛，如移动手机、数码相机、各种摄像机以及国防探测领域，当前发展的主要成像探测器是CCD和CMOS-APS两种类型，CCD出现较早，技术相对比较成熟，它的基本结构是一列列MOS电容串联，通过电容上面电压脉冲时序控制半导体表面势阱产生和变化，进而实现光生电荷信号的存储和转移读出，CMOS-APS每个像素采用二极管和多个晶体管组成，通过设置二极管状态，读取曝光前后的变化情况得到光信号。CMOS-APS由于某些优点近年来受到更大的关注，CXD由于是电容串联，一个电容有问题会影响整行信号的传输，所以对工艺要求极高，成品率和成本不够理想。而CMOS-APS它的每个像素都是相互独立的，在整个信号传输过程中不需要串行移动电荷，某一个像素出现问题不影响其他像素性能，所以克服了 CCD在此方面的缺点，所以对工艺要求也不是那么苛刻。COMS由于采用单点信号传输，通过简单的X-Y寻址技术，允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输。高分辨的图像传感器成为一个重要的研究方向，目前C⑶与CMOS都有千万级像素的产品，都力图进一步缩小像素尺寸提高分辨率，CCD因为受到边缘电场等效应使得他像素尺寸的很难在2um以下进一步缩小。而CMOS-APS随着CMOS工艺节点的缩小像素尺寸也可以进一步缩小，不过CMOS-APS每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，灵敏度和分辨率相对较小。另外CMOS-APS每个像素包含多个晶体管来完成引址选通等操作，一般的像素单元包含三个晶体管，这决定了他的像素尺寸缩小受到很大的限制。通过更小的工艺节点和电路共享等方法实现像素尺寸的不断缩小，目前已经可以达到单像素尺寸1.lum。高分辨的成像探测器无论在商业及国防领域都有着重要的应用，业界不断在努力追求更小的像素尺寸，在此方面本发明人已提出一种基于复合介质栅的光敏探测器结构的专利申请，采用与CMOS工艺兼容的器件结构，可以有效降低像素面积。但是更简单的探测器结构在像素尺寸的缩小和简化工艺方面仍有余地，并提高分辨率。
发明内容
本发明的目的是:提出一种新型光电探测器结构和探测方法，尤其提出一种基于三端复合介质栅结构的探测器和探测方法，可以有效的进一步减小像素尺寸。本发明目的还在于提出一种更简单的探测器结构和工作方式(探测方法)，并提高分辨率。本发明的技术方案是:基于三端复合介质栅结构的探测器，其中涉及的三端复合介质栅光敏探测器结构(如图1)包括:P型半导体衬底(I)、在所述衬底正上方依次设有底层绝缘介质￠)，光电子存储层(5)，顶层绝缘介质(4)，控制栅(3) ;P型半导体衬底中靠近叠层介质的任一侧通过离子注入掺杂形成高浓度N+型漏极(2)。所述光电子存储层(5)是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；控制栅极(3)是多晶硅、金属或其他透明导电电极，控制栅极面或基底层至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。所述两层绝缘介质(4)、(6)能有效隔离电荷存储区，使电荷限制在存储层(5)内实现存储功能，顶层绝缘介质(4) 一般为宽带半导体，以保证电子从衬底穿越势垒而进入存储层后不会进入栅极(3)。顶层介质的材料可以采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅、氧化铝或其它高介电常数介质材。底层介质材料可以采用氧化硅或其它高介电常数介质；本发明三端复合介质栅光敏探测器的探测方法为:曝光编程过程:在衬底(I)加一负偏压脉冲VBp，漏端(2)加一正偏压脉冲VDp，同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.衬底表面和漏区会产生耗尽层.光子进入耗尽层激发产生光电子。一部分光电子在栅极(3)和漏极(2)电场的驱动下向着栅极(3)方向加速移动，当电子能量超过氧化层势垒，就会越过底层介质(6)注入电荷存储层(5)实现光电信号收集，完成曝光编程过程。因为是通过热电子注入，不需要很高的隧穿电场。电荷存储层(5)电荷量的变化导致器件阈值电压发生变化，这个变化量可以通过读取过程得到，进而可以知道光电子存储层中光电子数目信号读取过程:器件读取过程是基于栅压诱导漏端漏电流(GIDL)的原理操作，N型漏端(2)的电流强烈依赖与他和电荷存储层(5)之间的电场(指数关系)，因此该电流对电荷存储层中存储的电荷也比较敏感，通过这个原理可以实现读取操作。具体操作为:在漏端(2)加一正偏压VDread，同时控制栅(3)要加负偏压VGread，衬底(I)VBread接地，测试漏端电流Id。该电流大小受到光电子存储层(5)电势的影响，电荷存储层存储的电子数越多，GIDL电流会越大，这样读到的电流数可以侧面表征收集到的光电子量，可以认为是光强的信号强度，实际操作过程中为了更准确读取收集到的光电子数目，采用两次读取方法，具体操作为在无光下编程后读取一次得到电流Idtl，曝光编程后读取一次得到读取电流为Id1，两次读取电流做差(Aid= Id1-1d0)最终的信号大小。复位擦除:复位操作采用类似Flowler-Nordheim隧穿方式,在栅极(3)加一个负高压VGreset，漏端(2)和衬底(I)都同时施加一个正电压脉冲Vbase，在底层绝缘介质两边电场达到lOMW/cm时，电子会从电荷存储层隧穿进入沟道或漏区实现复位擦除功能。曝光过程中在衬底(I)加一负偏压脉冲VBp,漏端(2)加一正偏压脉冲VDp,同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.读取过程中在衬底(I)接VBread，漏端(2)加一正偏压脉冲VDread,同时控制栅(3)要加正向偏压脉冲VGread ；VBp 取值范围为-8V -0.5V, VDp 范围为 0，5V 5V，VGp 为 0.1V 10V，VBread取值范围为-1V IV，VDread取值范围为0.1V 7V，VGread取值范围为-10V 0.1V。本发明的有益效果是:三端复合介质栅光敏探测器，不同于CXD和CM0S-APS，其采用复合介质栅结构，与传统的电荷存储层MOSFET结构类似，尤其是采用三端结构操作，漏极从靠近叠层介质的任一侧引出；通过一个器件完成整个成像复位读取工作，相当于CMOS-APS采用三个以上 晶体管完成的功能，所以有效减小了像素尺寸缩小的压力，另外也可以更方便采用X-Y交叉引址，与CMOS工艺兼容，这些都比CXD优越。尤其是小像素尺寸:由于采用一个器件完成一个像素所有的功能，而且采用三端结构，可以空出更多的面积用于缩小尺寸，另外，三端的结构可以很好避免短沟道效应，可以使本发明探测元件随着CMOS工艺尺寸不断缩小，这些都可以在很大程度上可以减小像素尺寸。三端复合介质栅光敏探测器探测方法具有如下特点，高动态范围:可以通过调节控制栅的读取电压来调节读取信号大小，扩大器件的动态范围，另外器件支持多次读取，便于操作和数据处理；低压低电流操作:所述曝光条件下光电子收集过程采用热电子注入方式，可以有效降低操作电压，如栅压Vg可以用5V左右，远远低于隧穿要求的十几伏高压.在曝光编程和读取复位过程中电流较小。
:图1为三端复合介质栅光敏探测器基本结构，图2为探测器工作在曝光模式下工作状态，图3为探测器曝光过程中衬底到栅极方向的能带图和电子转移过程，图4a为探测器工作在读取模式下工作状态，图4b为不同阈值电压下读取电流曲线示例，图5为探测器工作在复位模式下工作状态。具体实施方法下面将参阅
本发明探测器结构及其具体的探测方法。本发明探测器基本结构采用复合介质栅结构，如图1所示本发明探测器基本结构，该结构类似于复合介质栅光敏探测器结构(参考W02010/094233，介质材料的厚度可以参考)，不同的是本发明结构去掉了源极，采用更简单的三端结构，包含P型半导体衬底
(1)，N型漏区(2)，在衬底表面正上方从上到下依次为控制栅(3)，顶层介质(4)，电荷存储层(5)，底层介质(6)。本发明所述探测器曝光编程方式采用热电子注入方式，如图2所示曝光编程过程示例，在衬底(I)加一负偏压脉冲VBp (如-6V)，漏端(2)加一正偏压脉冲VDp (如IV)，同时控制栅(3)要加正向偏压脉冲VGp (如5V)。衬底表面和漏区边缘会产生耗尽层。光子进入耗尽层后如果光子能量光子hv >半导体Eg (或Eg+ A Ec)]，会激发产生电子空穴对，图3说明了光电子产生和运动过程，其中一部分电子在栅极(3)和漏极(2)电场的驱动下向着栅极方向加速移动(a过程)，当电子能量超过介质层势垒高度时就会穿过底层介质(6)注入电荷存储层(5) (b过程)；还有一部分光电子在漏区结电场的驱动下向着漏端移动从漏端(2)流走。空穴则从衬底(I)流走。电荷存储层5电荷量的变化导致器件阈值电压的变化，这个变化可以通过读取过程得到，进而可以知道光电子存储层中光电子数目。本发明探测器读取方式采用测量栅极诱导漏端漏电流(GIDL)大小来表征光信号大小，图4为探测器读取过程示意图，在漏端(2)加一正偏压VDread(如3v)，同时控制栅
(3)要加负偏压VGread (如_6v),衬底(I)为Vbread接地,测试漏端(2)的电流。N型漏端电流强烈依赖漏端⑵与电荷存储层(5)之间的电场(指数关系)，其中电流(GIDL电流)电场关系式为Id = A*Es*exp (_B/ES)其中A和B都是常数，Es为漏端⑵与电荷存储层(5)之间的电场，更具体的表达式为
权利要求
1.三端复合介质栅光敏探测器，其特征是三段复合介质栅探测器结构包括P型半导体衬底(I)、在所述衬底正上方依次设有底层绝缘介质￠)，光电子存储层(5)，顶层绝缘介质(4)，控制栅(3) ;P型半导体衬底中靠近叠层介质的任一侧通过离子注入掺杂形成高浓度N+型漏极(2);所述光电子存储层(5)是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；控制栅极(3)是多晶硅、金属或其他透明导电电极，控制栅极面或基底层至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口 ；顶层绝缘介质(4) 一般为宽带半导体，以保证电子从衬底穿越势垒而进入存储层后不会进入栅极(3);顶层绝缘介质的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅、氧化铝或其它高介电常数介质材；底层介质材料可以采用氧化硅或其它高介电常数介质。
2.根据权利要求1所述的三端复合介质栅光敏探测器，其特征是底层绝缘介质(6)为:氧化硅 4-10nm、氮化硅 4-10nm，也可以为 Hf02、A1203、ZrO2, Y2O3> BaTiO3> BaZrO3> ZrSiO4 或Ta2O3，其等效SiO2厚度为4-10nm。顶层绝缘介质(4)可以为氧化硅10_20nm，也可以为Hf02、A1203、ZrO2, Y2O3> BaTiO3> BaZrO3> ZrSiO4 或 Ta2O3,其等效 SiO2 厚度为 10_20nm，还可以为氧化硅/氮化硅/氧化硅复合结构，其等效SiO2厚度为10-20nm。光电子存储层(5)可以为多晶硅50-150nm或氮化硅3-10nm。控制栅(3)可以为多晶硅50_200nm，也可以为金属或其它透明导电电极。
3.根据权利要求1或2所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是曝光编程过程:在探测器的衬底⑴加一负偏压脉冲VBp，漏端⑵加一正偏压脉冲VDp，同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.衬底表面和漏区会产生耗尽层.光子进入耗尽层激发产生光电子；一部分光电子在栅极(3)和漏极(2)电场的驱动下向着栅极(3)方向加速移动，当电子能量超过氧化层势垒，就会越过底层介质(6)注入电荷存储层(5)实现光电信号收集，完成曝光编程过程；电荷存储层(5)电荷量的变化导致器件阈值电压发生变化，这个变化量可以通过读取过程得到，进而可以知道光电子存储层中光电子数目； 信号读取过程:探测器的读取过程是基于栅压诱导漏端漏电流(GIDL)的方法操作，N型漏端(2)的电流强烈依赖于漏端(2)与电荷存储层(5)之间的电场、且为指数关系；具体操作为:在漏端(2)加一正偏压VDread，同时控制栅(3)要加负偏压VGread，衬底IVBread接地，测试漏端电流Id，则漏端电流大小受到光电子存储层(5)电势的影响，电荷存储层存储的电子数越多，GIDL电流会越大，这样读到的电流数可以侧面表征收集到的光电子量，能够认为是光强的信号强度； 复位擦除:复位操作采用类似Flowler-Nordheim隧穿方式,在栅极(3)加一个负高压VGreset,漏端(2)和衬底(I)都同时施加一个正电压脉冲Vbase,在底层绝缘介质两边电场达到lOMW/cm时，电子会从电荷存储层隧穿进入沟道或漏区实现复位擦除功能。
4.根据权利要求3所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是信号读取过程中测试漏端电流Id的实际操作过程中为了更准确读取收集到的光电子数目，采用两次读取方法，具体操作为在无光下编程后读取一次得到电流Idtl,曝光编程后读取一次得到读取电流为Id1，两次读取电流做差(Aid = Id1-1d0)最终的信号大小。
5.根据权利要求3或4所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是曝光过程中在衬底I加一负偏压脉冲VBp，漏端(2)加一正偏压脉冲VDp，同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.读取过程中在衬底I接VBread，漏端(2)加一正偏压脉冲VDread，同时控制栅(3)要加正向偏压脉冲VGread ; VBp取值范围为-8V -0.5V，VDp范围为0.5V 5V，VGp为0.1V 10V，VBread取值范围为-1V IV，VDread取值范围为0.1V 7V，VGread取值范围为-10V 0.1V。
全文摘要
三端复合介质栅光敏探测器，包括P型半导体衬底(1)、在所述衬底正上方依次设有底层绝缘介质(6)，光电子存储层(5)，顶层绝缘介质(4)，控制栅(3)；P型半导体衬底中靠近叠层介质的任一侧通过离子注入掺杂形成高浓度N+型漏极(2)；所述光电子存储层(5)是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；控制栅极(3)是多晶硅、金属或其他透明导电电极，控制栅极面或基底层至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口；该探测器利用pn结反偏来产生和收集光信号，通过测量pn结的栅极诱导漏极电流(GIDL)来读取信号大小。
文档编号H01L31/0224GK103165725SQ20111041667
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者闫锋, 夏好广, 胡悦, 卜晓峰, 吴福伟, 马浩文 申请人:南京大学