本发明属于图像传感器技术领域，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种带有雪崩增益的电荷耦合器件。
背景技术：
电荷耦合器件(ccd)图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。传统的ccd与cmos图像传感器相比具有更好的成像品质，但由于ccd采用像素之间电荷横向传递的方式输出数据，系统的整体响应速度慢，并且只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制ccd的良品率较为困难。
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯和覆盖在半导体氧化片可以构成简单的场效应结构，制备工艺简单，易于转移到任何衬底上。由于石墨烯透光性很高，能够提高传统光电器件的量子效率。
技术实现要素：
为了解决以上技术问题，本发明提供一种带有雪崩增益的电荷耦合器件。
本发明的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，所述像素自下而上依次包括栅极、半导体衬底、绝缘层、源极、漏极与石墨烯薄膜；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述绝缘层的上表面；所述石墨烯薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的绝缘层的上表面；所述阵列中的所有像素共用一个栅极，所述栅极和每个像素的源极之间分别设置一个栅压，每个像素的源极和漏极之间设置一个偏置电压。
作为优选的技术方案，所述栅压为脉冲电压。
作为优选的技术方案，所述阵列的中间设置一列或多列中间像素，所述中间像素上设置的栅压为恒定电压，所述中间像素左侧的像素上设置的栅压为左侧脉冲电压，右侧的像素设置的栅压为右侧脉冲电压，所述右侧脉冲电压大于左侧脉冲电压。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为轻掺杂半导体。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为n型轻掺杂硅，绝缘层为二氧化硅。
作为优选的技术方案，在所述半导体衬底和绝缘层之间设置有埋沟层，所述埋沟层为n型掺杂，所述半导体衬底为p型掺杂。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为窄禁带宽度半导体或宽禁带宽度半导体。
作为优选的技术方案，所述绝缘层为紫外光吸收系数低的材料。
作为优选的技术方案，所述绝缘层为高介电常数介质。
作为优选的技术方案，光线由下方射入所述电荷耦合器件。
本申请中石墨烯薄膜的工作原理为：石墨烯与绝缘层、半导体衬底形成mis结，随着栅电压逐渐增大，硅基底将从电子积累进入耗尽状态。若栅压足够大，半导体-绝缘层界面将形成空穴反型层。但是若栅压为脉冲信号，由于少数载流子的产生需要一定的寿命时间，也不会立即出现反型层，仍然保持为耗尽的状态(这时的耗尽厚度比最大耗尽层厚度还要大)；这种多数载流子完全被耗尽了的，应该出现、而又一时不出现反型层的半导体表面状态，称为深耗尽状态。进入深耗尽状态，耗尽区宽度增大。当入射光照射到器件区域，硅耗尽区吸收入射光并产生电子-空穴对，其量子效率接近100％；若半导体衬底为n型，在高速栅电场作用下电子流被石墨烯收集，导致石墨烯的费米能级上升。由于石墨烯的特殊能带结构，石墨烯的电导会相应成比例的变化。这样给石墨烯施加固定的偏压后，通过石墨烯的电流能够同步反映出势阱内存储的电荷量，且无需多次转移读取。
电荷耦合器件阵列有广泛的应用，如成像和监控等。本申请带有雪崩增益的电荷耦合器件可以使用实施例中的标准半导体工艺制作光电探测器阵列。通过引线接合法，用金线或金属互连线把电荷耦合器件阵列中的每个元件的顶电极与传统的信号处理电路的电极连接起来，使用传统的信号处理电路可以获得光电探测器阵列的所有ccd像素的数据。
对电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极和漏极直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极上，在源极和漏极之间加1v偏压。
本发明的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件具有以下有益效果：
1.通过势阱之间转移时产生的雪崩增益，能够减小噪声，提高信噪比；
2.石墨烯透光性高，提高了光的吸收效率；
3.工艺简单，石墨烯易于转移，适合大批量制备；
4.由于石墨烯的特殊性质，其通过电容耦合可以有效收集载流子，产生的光电流直接从单个像素结构输出，实现本地随机读取，无需采用像素间水平转移电荷方式，从根本上改变电荷耦合器件的信号读出方式，提高系统的响应速度和可靠性。
附图说明
图1为实施例1-7中的电荷耦合器件的结构示意图；
图2为电荷耦合器件工作在0～-30v，占空比为20％的1khz脉冲栅压下，532nm、光能量为0～120mw/cm2激光的光学响应曲线及其在光能量在0～4mw/cm2的曲线图；
图3为在一个栅电压脉冲周期内，用不同强度的1550nm激光照射器件的光响应曲线图；
图4为电荷耦合器件的像素阵列结构示意图；
图5为电荷转移的器件和信号读出示意图；
图6为电子倍增ccd器件结构示意图；
图7为实施例8的电荷耦合器件的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、n型轻掺杂硅半导体衬底2、二氧化硅绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于二氧化硅绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的二氧化硅绝缘层3的上表面。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
本实施例的电荷耦合器件使用n型轻掺杂硅半导体衬底2，栅电压工作在0～-30v，占空比为20％的1khz脉冲栅压下，532nm、光能量为0～120mw/cm2激光的光学响应曲线及其在光能量在0～4mw/cm2的曲线图如图2所示。从图2可以看出，所制备的器件在0～4mw/cm2具有良好的线性度；且光电流较大，证实器件能够被应用于图像传感器阵列。
基于以上结构，利用硅-氧化硅的界面态在红外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度。
所用半导体衬底2为n型轻掺杂硅，绝缘层3为二氧化硅，硅与二氧化硅之间的界面态会吸收红外光并产生电子空穴对，并转移至石墨烯内使石墨烯的电导产生变化，最终导致石墨烯上的输出电流变化。虽然界面态吸收红外光的量子效率极低，但由于ccd的电荷积分作用以及石墨烯自身的增益效果，依然可以得到较大的响应。如图3所示，在一个栅电压脉冲周期内，用不同强度的1550nm激光照射器件，可见其响应明显，响应度约为50ma/w，是商业上的红外探头的50倍。实测其响应波长范围为200～2000nm。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素的尺寸为5μm×5μm，像素之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
其中石墨烯薄膜6两端的电极接触通过通孔做在铜布线层，从而增大阵列的有效感光面积，同时提高器件的透光度。传统ccd是可以在像素7之间进行转移，此器件同样通过控制栅电压脉冲可以实现电荷包的像素间转移。
将图4中相邻的三个像素7放大，得到图5所示的器件和电路结构。通过调节三路栅压时钟的相位差，可以控制信号电荷包在硅体内的转移，从而减少无效读出带来的功率损耗。通过调节三路栅压时钟的相位差，控制信号电荷包在硅体内的转移，从而减少无效读出带来的功率损耗。
制备上述电荷耦合器件的方法，包括以下步骤：
(1)在n型轻掺杂硅半导体衬底2的上表面氧化生长二氧化硅绝缘层3，所用n型轻掺杂硅半导体衬底2的电阻率为1～10ω·cm；二氧化硅绝缘层3的厚度为100nm～200nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅绝缘层3表面光刻出顶电极和的图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层源极4，然后生长60nm的金电极漏极5；
(3)在顶电极(源极4和漏极5)的上表面和二氧化硅绝缘层3的上表面覆盖石墨烯薄膜6；其中，石墨烯薄膜6的转移方法为：将石墨烯薄膜6表面均匀涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)薄膜，然后放入刻蚀溶液中4小时腐蚀去除铜箔，留下由pmma支撑的石墨烯薄膜；将pmma支撑的石墨烯薄膜6用去离子水清洗后转移到二氧化硅绝缘层3和顶电极(源极4和漏极5)的上表面；最后用丙酮和异丙醇去除pmma；其中，刻蚀溶液由cuso4、hcl和水组成，cuso4：hcl：h2o＝10g:45ml:50ml；
(4)通过光刻工艺(二次光刻)定义石墨烯的区域面积，使光刻胶覆盖整个金属电极区域，通过氧等离子体反应离子刻蚀技术(oxygenplasmaicp-rie)，其功率和刻蚀时间分别为75w，3分钟，刻蚀掉光刻胶外的多余的石墨烯，刻蚀完成后，用丙酮和异丙醇清洗并去除残余的光刻胶；
(5)在n型轻掺杂硅半导体衬底2背面制备与n型轻掺杂硅半导体衬底2欧姆接触的金属栅极1。
实施例2
由图4所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压；阵列的中间具有一列或多列中间像素8，中间像素8上设置的栅压为恒定电压，中间像素8左侧的像素7上设置的栅压为左侧脉冲电压，右侧的像素7设置的栅压为右侧脉冲电压，右侧脉冲电压大于左侧脉冲电压。
如图6所示，用该电荷耦合器件的结构使ccd的信号产生增益。中间像素的栅压vgs2设置为恒压，一般为+3到5v。给第一个像素施加vgs1的栅压脉冲，势阱能够存储一定的光生电荷。然后减小vgs1，势阱中的电荷可以被转移到第二个势阱中，然后给vgs3施加一个较大的栅压，如+30v到40v。这样当电荷从第二个势阱转移到第三个势阱时，会经过一个很强的边缘电场，从而产生雪崩倍增。由于增益系数是恒定的，在多次电荷转移倍增之后，可以获得100～1000倍的增益信号响应。适合用于弱光探测或者单光子探测等应用场景。
实施例3
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、半导体衬底2、二氧化硅绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于二氧化硅绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的二氧化硅绝缘层3的上表面。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为3μm×3μm，像素7之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
通过减小像素尺寸，同时减薄绝缘层厚度，进而减小器件的氧化层电容，减小器件整体的rc常数从而提高器件的工作速度。因此本实施例的像素尺寸减小为3μm×3μm左右。
由光的干涉原理可知，在绝缘层薄膜内，当其厚度满足d＝λ/(4n)时，其中λ为入射波长，n为材料的折射率，可以使光线的反射率达到最小，由此对于硅-二氧化硅这一体系，可以将二氧化硅绝缘层3的厚度缩小至50～70nm，以提高其在紫外波段的透光率，提升电荷耦合器件在紫外波段的性能。
通过减薄硅片衬底厚度至光的透射深度，并让光线从硅片衬底背面入射，减少金属电极对光线的阻挡，电荷从硅片衬底正面的石墨烯中读出。对比商业上的ccd，电荷耦合器件的量子效率提升至90％～95％。
实施例4
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、窄禁带宽度半导体2、绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为5μm×5μm，像素7之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
本实施例的电荷耦合器件结构，更换窄禁带宽度半导体在红外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度。
由于深耗尽这一状态在多种半导体中都可以实现。因此将半导体衬底2采用窄禁带宽度半导体如锗ge、铟镓砷ingaas、ⅲ-ⅴ族化合物半导体等，这样半导体可以直接吸收红外光子，能够产生较大的响应度和量子效率。但需要注意的是，半导体-绝缘层界面应该具有良好的界面特性，以防止热产生速度过快而淹没光响应信号。红外波段可以扩展至5μm以上。
实施例5
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、宽禁带宽度半导体2、绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为5μm×5μm，像素7之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
基于以上结构，更换宽禁带宽度半导体在紫外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度，使电荷耦合器件仅吸收紫外波段的光。
由于深耗尽这一状态在多种半导体中都可以实现。因此将半导体衬底2采用宽禁带宽度半导体如氮化镓gan、碳化硅sic等，这些半导体可以直接吸收紫外光子，能够产生较大的响应度和量子效率。但需要注意的是，半导体-绝缘层界面应该具有良好的界面特性，以防止热产生速度过快而淹没光响应信号，减小可见光的干扰。
实施例6
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、半导体衬底2、紫外光吸收系数低的材料制成的绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为5μm×5μm，像素7之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
由于石墨烯的透光性较好，因此提高紫外响应可以从设计减少紫外光的反射率，减少绝缘层对紫外光的吸收的角度考虑，提高电荷耦合器件的在紫外波段的响应度。基于二氧化硅对紫外光的吸收较大，选用对紫外光吸收系数底的绝缘层材料，如使用氮化硅或高介电常数材料等对紫外波段光吸收较少的绝缘层材料。
实施例7
由图1所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、半导体衬底2、高介电常数材料制成的绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为5μm×5μm，像素之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图1所示。
高介电常数介质制成的绝缘层具有增强电容耦合效应、减小栅压、降低功耗的作用。
实施例8
由图7所示，本实施例的一种带有雪崩增益的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素7，像素7自下而上依次包括栅极1、p型掺杂的半导体衬底2、绝缘层3、源极4、漏极5与石墨烯薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；石墨烯薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面；在半导体衬底2和绝缘层3之间设置有n型掺杂的埋沟层8。
如图4所示，像素7组成10×10阵列，每个像素7的尺寸为5μm×5μm，像素7之间的间距为0.5μm，像素阵列中的所有像素7共用一个栅极1，栅极1和每个像素7的源极4之间分别设置一个栅压，栅压为脉冲电压，每个像素7的源极4和漏极5之间设置一个偏置电压。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1v偏压，如图7所示。
表面沟道ccd由于表面态的存在会影响电荷的转移速度，且暗场情况下的热产生更高，而埋沟ccd表面有一层与半导体衬底掺杂类型相反的掺杂层，该薄层是完全耗尽的，积累的光生电荷离开表面，减少了表面热产生带来的暗噪声，提高了转移效率，优化电荷耦合器件的工作速率。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本说明书所涉及的半导体衬底或其他功能层的n型掺杂、p型掺杂，只是为了方便说明，作为特例来陈述。互换掺杂类型(n型改为p型、p型改为n型)，仅使得器件载流子类型(电子或空穴)发生互换，而不会影响器件的工作原理，因此不超出本说明书的范围。