CN101356654B - 为检测可见光而优化的半导体辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

一种半导体辐射探测器，包括：半导体材料的体层，并且在体层的第一表面上按以下顺序设置：第二导电类型的半导体的改进的内部栅极层、第一导电类型的半导体的势垒层以及第二导电类型的半导体的像素掺杂部。像素掺杂部适于连接到至少一个像素电压，以创建对应于像素掺杂部的像素。该器件包括第一导电类型的第一接触部。所述像素电压被定义为像素掺杂部和第一接触部之间的电势差。体层为第一导电类型的。在体层的与第一表面相对的第二表面上，不存在导电后侧层，其将次级电荷传送到该器件的有源区外部或用作辐射进入窗。

Description

为检测可见光而优化的半导体辐射探测器
技术领域
本发明涉及半导体辐射探测器，具体地，涉及具有改进的内部栅极的半导体辐射探测器。
背景技术
在半导体材料中辐射被转换为电子空穴对。在半导体辐射探测器中，电子空穴对通过电场分离。被测量的电子空穴对的电荷类型被称为信号电荷，相反的电荷类型被称为次级电荷。
专利申请PCT/FI2004/000492和PCT/FI2005/000359(其结合于此作为参考)披露了一种具有改进的内部栅极(MIG)的半导体辐射探测器。以下将该探测器称为MIG探测器。MIG探测器是背照式的，并且其在器件的后侧上具有厚的全耗尽衬底和薄导电层。该导电后侧层具有三个功能：当被适当地偏置时，其能够使厚衬底完全耗尽，其将次级电荷传输到器件的有源区外部，并且其作为薄的均匀辐射进入窗。MIG探测器具有很多优点。表面生成的电荷可以与信号电荷分离，这提供小的暗电流噪声。信号电荷可以被非破坏性地读出，使得信号电荷被多次读取，这减小了读取噪声。背照式和薄均匀辐射进入窗使得能够对具有很好的能量分辨率的浅穿透辐射(例如，低能量X射线和粒子)进行检测。厚的全耗尽衬底使得能够对深穿透辐射进行检测。
MIG探测器的衬底材料优选地是高阻抗的，即，基本为本征硅，并且衬底的厚度为几百微米。这种MIG探测器可以用于检测从低到中等能量(～100eV-～10keV)的粒子、X射线以及来自紫外线和蓝光到近红外辐射的光子。这里，将近红外辐射称为人眼看不见的并且具有低于1.1μm的波长(其为硅的检测极限)的辐射。波长接近但低于该极限的近红外辐射在硅中具有非常大的衰减深度，高达几百微米。由于背照，由于厚的完全耗尽的衬底，以及由于薄辐射进入窗，MIG探测器具有从近红外辐射到蓝光的高量子效率。由于厚衬底，还消除了被称为边缘现象(fringing)的现象。边缘现象是具有薄衬底的探测器中的一个问题。在这种探测器中，近红外辐射在被吸收之前，在探测器的前表面和后表面之间被反射多次，导致不希望的干扰图案。由于没有月亮的夜空包含至少比可见光子多一个数量级的近红外光子，并且由于许多材料的反射系数对于近红外辐射来说比可见光高很多(例如，叶子的反射率为高出3至6倍)，MIG探测器可以很好地应用于夜视装置中的低光检测。
但是，由于以下原因，MIG探测器不能很好地适用于基于硅的便携式用户应用中的可见光的检测。厚衬底的耗尽至少需要几十伏特。对于便携式用户装置，这种电压无疑太高，并且导致太大的功耗。高阻抗硅衬底很贵并且很难处理，这增加了制造成本。还很难通过厚的高阻抗衬底从前侧可靠地接触导电后侧层，这对于大规模生产是非常重要的。在厚的全耗尽衬底中生成大量体(bulk)生成电流，其必须使用冷却。但是，在便携式用户应用中，探测器的冷却通常是不可能的。由于在探测器的后侧上吸收了可见光并且信号电荷在其到达前表面之前必须漂移很长的距离，所以图像的清晰度还会在某种程度上降低。因此，在器件的后侧上使用滤色器存在问题。
在硅中，红光的衰减深度不大于10微米。对于蓝光和绿光，衰减深度更小。从而，不需要具有用于可见光检测的厚衬底。代替厚衬底，可以在后侧变薄的MIG探测器中使用薄(典型地为大约10μm和小于50μm)衬底。但是，薄器件减速(brake)非常容易，因此在制造过程的最后必须执行后侧处理。存在两种可能的方法来进行该处理。在第一种方法中，将衬底的前侧连接至支撑衬底，之后探测器的后侧变薄。在第二种方法中，探测器的后侧仅在包含像素的有源区下面被蚀刻，并且更厚的支撑区域被留在探测器的侧面。在两种方法中，需要在后侧变薄之前完成前侧的处理。这一情况使得导电后侧层的制造过程变得复杂。为了处理能够对于蓝光具有很好的量子效率的非常薄的导电后侧层，存在两种适于大规模生产的可能处理。在第一种方法中，导电后侧层通过注入法实现，其需要高温退火步骤。在器件的前侧上使用的所有材料(像金属布线)必须具有比退火温度更高的熔点。这种情况阻止了通常在集成电路中使用的多种材料(如铝)的使用。在第二种方法中，薄层被沉积在器件的后侧。然而，在导电层和衬底之间的界面处产生了许多暗电流，并且为了抑制该电流，需要进行冷却。
在MIG探测器用于可见光检测的情况下，还存在与导电后侧层相关的固有问题。为了适当地检测图像的不良照射的区域，芯片的尺寸必须大并且必须使用大光孔(optical aperture)。为了还对于蓝光具有很好的量子效率，导电后侧层必须非常薄。如果图像还包括非常亮的区域，则大量次级电荷电流将在导电后侧层中流动。然而，在导电后侧层中流动的大电流、以及导电后侧层的小厚度和大面积导致在导电后侧层中的大电阻电压降。该电阻电压降降低了图像质量并且可以导致探测器的故障，特别是在探测器非常薄的情况下。
MIG探测器中的另一个问题是需要相对高的电压来清除MIG中的信号电荷，尤其在期望高动态范围的情况下，即，在期望MIG的大信号电荷容量的情况下。另外一个问题是在一些情况下应当改进MIG探测器中在表面生成的电荷和信号电荷之间的绝缘。
发明内容
本发明的一个目标在于提供一种包括改进的内部栅极的半导体辐射探测器，其中消除了由导电后侧层导致的问题。本发明的另一个目标在于提供一种包括改进的内部栅极的半导体辐射探测器的结构，通过该结构可以仅使用小电压来清除信号电荷。本发明的另一个目标在于提供一种提高表面生成的电荷和信号电荷的分离的方法。
本发明的目标通过半导体辐射探测器来实现，其包括半导体材料的体层，并且按以下顺序在体层的第一表面上进一步包括：第二导电类型的半导体的改进的内部栅极层；第一导电类型的半导体的势垒层；以及第二导电类型的半导体的像素掺杂部(pixel doping)，适于连接到至少一个像素电压，以形成对应于像素掺杂部的多个像素。该器件的特征在于其包括第一导电类型第一接触部，使得所述像素电压为在像素掺杂部和第一接触部之间的电势差，并且体层为第一类型的，并且该器件在体层的与第一表面相对的第二表面上不包括导电后侧层，其中，导电后侧层将次级电荷传送到该器件的有源区外部并且用作辐射进入窗。
本发明基于从MIG探测器去除导电后侧层的思想。实现了可以通过沟道停止(channel stop)在有源区内部收集在体层中生成的次级电荷而不使用用于将其传送到有源区外部的导电后侧层。从有源区内的体层收集次级电荷可以进一步通过MIG层中的间隙(gap)并通过适当填充的沟槽结构来改善。还实现了可以是前照式的新的MIG探测器。但是，由于以下事实，前照式的新MIG探测器会具有差的蓝色响应。势垒层在MIG层和器件的表面之间形成了信号电荷的势垒。主要在势垒和探测器的前表面之间吸收蓝光，从而通过像素掺杂部而不是通过MIG来收集由蓝光生成的大部分信号电荷。通过实现这样的势垒不存在于沟道停止之下并且沟道停止区可以用作辐射进入窗，以及通过进一步实现沟道停止可以非常薄并且沟道停止区的尺寸可以非常大，可以明显改善前照式器件的蓝色响应。然而，沟道停止的大面积减小了在沟道停止之下的MIG层中的信号电荷传送电势梯度。进一步实现了传送信号电荷的电势梯度可以通过一种结构，即，通过不连续的MIG层来改善。另一种可能性是改变势垒层、MIG层或挨着MIG层的体层中的掺杂浓度，以改善传送信号电荷的电势梯度。在前照式探测器中，在体中生成的次级电荷可以通过在有源区内部的沟道停止、和/或通过位于探测器的前侧上的有源区外部的衬底接触部、和/或通过位于探测器芯片的边缘或探测器芯片的后侧上的衬底接触部来收集。
信号电荷可以通过以下结构仅使用小电压来清除，在一种结构中，在第一导电类型的势垒层中存在第二导电类型的掺杂区或在第二导电类型的改进的内部栅极层和第二导电类型的像素掺杂部之间的势垒层净掺杂部的局部减小部(reduction)，或在另一种结构中，在MIG层掺杂部和探测器的前表面之间存在沟槽，其中，栅极控制从改进的内部栅极层通过第二导电类型的掺杂区、通过沟槽结构、或通过势垒层掺杂部的局部减小部到像素掺杂部或探测器的前表面的信号电荷流。
例如，通过位于势垒层和探测器的前表面之间的第二导电类型的掺杂区域或通过栅控结构(gated structure)来改善信号电荷的分离和表面生成的电荷的分离。
本发明提供了一种用于探测辐射的方法，包括：将半导体辐射探测器器件的表面上的多个像素连接至像素电压，以及用辐射照射所述半导体辐射探测器；其特征在于，其包括：从所述半导体辐射探测器的体层(103)、改进的内部栅极层、以及势垒层将第一种辐射感应的信号电荷收集到第一种所述电荷的三维电势函数的局部极小部，所述局部极小部在位置上与位于紧邻所述体层(103)处的改进的内部栅极层(104，304)上的像素(111)一致，以及检测收集到与像素(111)一致的局部极小部的信号电荷的量。
优选地，在该方法中，检测所述信号电荷的量包括：观察与像素特定晶体管的有效沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
优选地，在该方法中，检测所述信号电荷的量包括：观察与所述像素特定晶体管的减小的沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
优选地，在该方法中，检测所述信号电荷的量包括：观察与所述像素特定晶体管的增加的沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
优选地，在该方法中，检测所述信号电荷的量包括：经过多个像素将像素相关的电荷转移到读出像素，并且观察所述读出像素的电特性。
附图说明
图1示出本发明的实施例，
图2示出图1所示的半导体辐射探测器的可选偏置方案，
图3示出本发明的另一实施例，
图4示出图1所示的探测器的电子电势，其将空穴用作信号电荷，
图5示出图2所示的探测器的电子电势，其将空穴用作信号电荷，
图6示出图3所示的探测器的电子电势，其将空穴用作信号电荷，
图7示出本发明的再一实施例，
图8示出使用保护结构的图7的半导体辐射探测器，
图9示出图7所示的探测器的电子电势，其将空穴用作信号电荷，
图10示出图8所示的探测器的电子电势，其将空穴用作信号电荷，
图11示出本发明的实施例的四个像素，
图12示出本发明的另一实施例的四个像素，
图13示出图11所示的探测器的横截面，
图14示出图12所示的探测器的横截面，
图15示出本发明的再一实施例的四个像素，
图16A示出图15所示的探测器的横截面，
图16B示出图15所示的探测器的横截面，
图16C示出图15所示的探测器的横截面，
图16D示出图15所示的探测器的横截面，
图17A示出本发明的实施例，
图17B示出本发明的实施例，
图17C示出本发明的实施例，
图17D示出本发明的实施例，
图17E示出本发明的实施例，
图17F示出本发明的实施例，
图17G示出本发明的实施例，
图17H示出图17G中所示的探测器的剖面图，
图17I示出图17G中所示的探测器的剖面图，
图18A示出本发明的实施例，
图18B示出本发明的实施例，
图18C示出本发明的实施例，
图19示出本发明的实施例，
图20示出本发明的实施例，
图21示出本发明的实施例，
图22示出本发明的实施例，
图23示出本发明的实施例，
图24示出本发明的实施例，
图25示出栅极信号改进的内部栅极探测器，
图26示出栅极信号改进的内部栅极探测器的另一实施例，
图27A示出图25和图26中所示的探测器的横截面，
图27B示出图26中所示的探测器的横截面，
图28示出栅极信号改进的内部栅极探测器，
图29示出栅极信号改进的内部栅极探测器的另一实施例，
图30示出栅极信号改进的内部栅极探测器，
图31示出栅极信号改进的内部栅极探测器的另一实施例，
图32A示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图32B示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图32C示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图32D示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图33A示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图33B示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图33C示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图34A示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图34B示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图34C示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图34D示出一个可能的探测器制造过程的一个工序，
图35A示出现有技术的带状(strip)探测器，
图35B示出现有技术的带状探测器，
图36示出仿真结果，
图37示出仿真结果，
图38示出仿真结果，
图39示出仿真结果，
图40示出仿真结果，
图41示出仿真结果，
图42示出仿真结果，
图43示出仿真结果，
图44A示出本发明的实施例，
图44B示出本发明的实施例，
图44C示出本发明的实施例。
具体实施方式
图1是辐射探测器的示意性截面图，优选地其很薄并且是背照式的。探测器具有在图中朝上的前表面101。探测器的后表面102(辐射通过其进入探测器)在图中朝下。在后表面上，可以有可选的抗反射或闪烁体涂层。探测器的体层103由第一导电类型的半导体材料制成。第一和第二导电类型(反之亦然)在此被称为正和负掺杂的半导体，分别具有过量的正和负电荷。在从后表面朝向前表面的探测器的前侧上，首先存在第二导电类型的层104，其在以下被称为改进的内部栅极(MIG)层。在图1的器件中，在MIG层中存在间隙。在MIG层104的前面，还存在第一类型的层105，在此被指定为势垒层。在层105的顶部可以是保护绝缘层和形成布线(wiring)、栅极、电容器等的导体层。
在探测器的前表面上的势垒层105中进行图案化的、优选地类似像素(pixel-like)的具有第二导电类型的注入111，112，113，114，115，并且以下被称为像素掺杂部。在像素之间或紧邻像素放置第一导电类型的偏置的沟道停止掺杂部(channel stop dopings)121、122、123、124、125。虚线150表示当偏置电压VP连接在像素掺杂部和沟道停止掺杂部之间时耗尽区的边缘。在图1的实施例中，各个像素的耗尽区不是统一的，因此体层处于与沟道停止掺杂部相同的电势。偏置的沟道停止掺杂部收集在半导体探测器内部生成的所有次级电荷，包括在体层内生成的次级电荷，即，在包含像素的有源区内收集次级电荷，并且不必将次级电荷传送到有源区外部。因此，不需要导电后侧层。
切割线160垂直于前表面和后表面，并且其穿过像素掺杂部。切割线170也垂直于前表面和后表面，并且其穿过沟道停止掺杂部。图4示出了对应于第一导电类型为n型并且第二导电类型为p型的情况的切割线160和170上的电子电势曲线。切割线170上的电子电势曲线403是对应于距离轴的直水平线。电势能曲线的直水平部分对应于中性区，并且倾斜区域对应于耗尽区。电子电势曲线402对应于切割线160并且表示在沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的电势差为VP的情况。在MIG层内部，形成有空穴(在该情况下为信号电荷)的三维(3D)电势能极小点(minimum，极小部)412。可以随着场效应晶体管(FET)的有效沟道宽度的减小或随着双极结晶体管(BJT)中的有效基极宽度的减小来检测在该3D势能极小点中的空穴量。在图4中，这对应于宽度415的减小。势垒层内的位置416是对于电子和空穴的3D鞍点。在切割线160上的电子电势曲线401对应于在清除电压(clear voltage)VC连接在沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的情况。在该情况下，空穴的3D电势能极小点412消失并且信号电荷空穴由像素掺杂部来收集。
图2是与图1的器件中类似的在MIG层中的具有间隙的优选地很薄的背照式半导体辐射探测器的示意性截面图。然而，在这种情况下，在沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的偏置电压很高，从而仅存在一个单个统一的耗尽区250。像素掺杂部215是围绕有源区的保护环。图5示出了在切割线260和270上的电子电势曲线。当沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的电势差为VP时，电子电势曲线502对应于切割线260，并且电子电势曲线503对应于切割线270。当沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的电势差为VC时，电子电势曲线501对应于切割线260，并且电子电势曲线504对应于切割线270。曲线503和504中的中性区513对应于沟道停止。在电子电势能曲线501-504中在挨着器件后侧的右侧的中性区对应于浮置的中性体层。当沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的电势差为VP时，即，在信号电荷结合(integration)期间，在曲线503中存在由体层收集的次级电荷电子的电势能垒514。当沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间的电势差为VC时，在曲线504中不存在电势能垒，并且在信号电荷结合期间在体层中收集的次级电荷可以自由地流动到沟道停止掺杂部。
图3是具有连续MIG层304的优选地很薄的背照式半导体辐射探测器的示意性截面图。虚线350是耗尽区边缘。体层与在图2的探测器中类似地在该探测器布置中浮置。在图6中示出了图3的探测器的工作原理，并且其对应于图2的探测器的工作原理。
图1至图3中的器件为优选地很薄的背照式探测器。在薄探测器中，近红外光应该被滤除，以去除边缘现象。图1至图3的探测器还可以是前照式的。在这种情况下，体层优选为几百微米厚，但是在探测器前侧上的耗尽区仅为几微米厚。由于厚的体层，所以不必须过滤近红外辐射。图1至图3的探测器还可以具有类似抗反射涂层、滤色器、微透镜、闪烁体层等的额外的层和结构。应该注意，在前照式的情况下，体层后侧上的可能材料层对于应用来说不是必需的，并且在背照式的情况下，器件前部上的可能材料层对于应用来说不是必需的。在图1至图3的探测器中，通过沟道停止掺杂部在有源区内部收集次级电荷，即，不需要导电后侧层。从而可以避免与在薄探测器的后侧上制造薄导电后侧层以及这种探测器的操作相关的困难。
图7示出本发明的前照式实施例，其中通过沟道停止掺杂部收集部分次级电荷，并且通过用作到体层的接触部的第一导电类型掺杂部725收集部分次级电荷。接触部725在探测器的前侧，但是其还可以在探测器的后表面上或在探测器芯片边缘700上。如果掺杂部715形成像素，则沟道停止掺杂部优选地处于与接触部725相同的电势。图9示出了这种探测器的工作原理。图7还示出了耗尽区边缘750。
图9示出当第一导电类型为n型并且第二导电类型为p型时的情况。图9的曲线901和902表示在穿过像素掺杂部的切割线760上的电子电势能。曲线901对应于当像素掺杂部111连接至电势VP时的情况，以及曲线902对应于当像素掺杂部111连接至清除电压(clear voltage)VC的情况。曲线903表示切割线770上的电子电势能。电子和空穴的3D鞍点914形成次级电荷电子的势垒。从而，由接触部725收集部分次级电荷。如果掺杂部715形成围绕有源区的保护环，则沟道停止掺杂部和体层接触部725可以处于不同电势。图10示出了这种情况。图10中的曲线1003表示切割线770上的电子电势能。在这种情况下，中性体层和沟道停止处于不同电势处，即，中性体层处于零电势处，而沟道停止处于电势VCS处。
图8表示本发明的另一前照式实施例。在该探测器中，额外的保护环816、817和818围绕最内侧的保护环215。由于所构成的MIG层，所以在这些保护环中不需要沟槽结构。层808是第一导电类型的可选半导体层。层808优选地具有比体层高很多的电阻率，并且其优选地通过外延生长来制造。层808还可以是深阱，在这种情况下，该层可以被构造。图8还示出了耗尽区边缘850。如果不使用可选层808，则图8的探测器的工作原理准确地对应于图10，即，电子电势能曲线901和902对应于切割线860，并且电子电势能曲线1003对应于切割线870。如果使用可选层808，则与图10的唯一区别在于电势曲线901、902、和903在层808和低阻抗衬底的界面处基本终止。可选层808优选地由第一导电类型半导体材料制成，但是它也可以由第二导电类型半导体材料制成。然而，这样必须进行通过这样的可选层蚀刻深沟槽的处理，以避免探测器芯片边缘产生高漏电流。
应该注意，图7和图8的探测器中的沟道停止可以浮置，这意味着次级电流将从沟道停止经过形成在MIG层中的势垒向体层流动，在那里其由体层接触部725收集。在沟道停止浮置的情况下，半导体材料是硅，二氧化硅被用作绝缘体材料，并且第一导电类型是n型，不需要沟道停止掺杂部(下文中，将二氧化硅称作氧化物)。在这种情况下，正氧化物电荷导致在二氧化硅界面处的电子累积层。这个二维(2D)电子气层(electron gas layer)用作沟道停止。2D电子或空穴气层还可以通过使用合适的偏置MOS结构在半导体绝缘体界面处人工形成。在这种情况下，2D电荷气层和MOS结构形成沟道停止。因此，沟道停止区可以由2D电荷气层或沟道停止掺杂部或两者共同形成。图7和图8中示出的探测器还可以如在图1和图2中的探测器那样具有在MIG层中的间隙。如果沟道停止和体层被偏置不同电势，则MIG层中的间隙必须使得在体层和沟道停止之间没有电流流过。如果沟道停止没有被偏置不同电势，则MIG层中的间隙可以任意宽。在这种情况下，沟道停止或者浮置或者处于与体层相同的电势。
需要重点注意的是，由于体层实际上比图中示出的厚很多，即，体层优选地为几百微米厚，因此图7至图10不是按比例绘制的。体层优选地具有低电阻率，即，比在文档PCT/FI2004/000492和PCT/FI2005/000359中示出的几乎本征的衬底的电阻高很多。在图7至图8的探测器中，通过沟道停止掺杂部在有源区内收集部分次级电荷，以及通过体层将部分次级电荷传送至衬底接触部725。由于是前照并且由于低电阻衬底，不需要导电后侧层。从而，避免了与在薄探测器的后侧上制造薄导电后侧层以及与这种探测器操作相关的困难。
前述背照式和前照式探测器的实施例的主要区别在于前照式探测器比背照式探测器制造更便宜，但是与背照式探测器相比，前照式探测器具有更小的填充因数，因此具有在可见光谱中更小的量子效率。
图11示出了本发明的实施例，其中，可以仅使用小电压来清除信号电荷，即，像素掺杂部不必连接至清除电压以去除信号电荷。区域1191缺少MIG层，意味着区域1191对应于MIG层掩模。MIG层中的间隙1191通过改善在MIG层中的信号电荷传送电势梯度来帮助信号电荷的收集。沟道停止掺杂部1121收集次级电荷。在图11中存在四个像素，其中，切割线1180部分地切割两个像素。切割线1180对应于图13示出的截面。第二导电类型的像素掺杂部1131、1132和1133是属于一个像素的双金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的源极和漏极掺杂部，并且导体1341和1342是双MOSFET的栅极。像素掺杂部1335、1336和1337是源极和漏极掺杂部，并且导体1344和1345是属于另一个像素的双MOSFET的栅极。在位于栅极之下的MIG层掺杂部的可选局部增强部(enhancement)1392中收集信号电荷。在FET的栅极或BJT的发射极下面的MIG层掺杂部的局部增强部改善了探测器的动态范围。可以通过适当地偏置源极掺杂部、漏极掺杂部和栅极，在MIG层掺杂部的局部增强部1392之间的像素内部去除信号电荷。这使得能够多次读取信号电荷，减小了读取噪声。
在器件的前侧存在用作清除接触部的第二导电类型的像素掺杂部1334。在MIG层和清除接触部1334之间存在可以通过中间能量注入产生的第二导电类型的掺杂区1393。可选地，区域1334和1393表示填充有第二导电类型的半导体材料的沟槽。通过栅极1343控制来自MIG层通过区域1393的信号电荷的流动。这种布置使得能够利用低电压清除信号电荷，并且还可以用作抗模糊(anti blooming)结构。层1307是保护绝缘体层，其优选地为二氧化硅，但也可以为任何其他绝缘体材料。需要重点注意的是，为了清楚起见在图13中未示出穿过绝缘体层1307的接触部开口以及接触部。
图12示出了本发明的另一实施例，其中可以仅使用小电压清除信号电荷。沟道停止掺杂部1221收集次级电荷。切割线1280对应于由图14示出的截面。图11的MOS栅极1343由第一导电类型的掺杂部1443代替，其用作控制从MIG层到探测器的前表面的信号电荷的流动的结型栅极。掺杂部1443由用作四个双MOSFET的源极/漏极掺杂部的第二导电类型的环形像素掺杂部1433围绕。使用沉积在沟槽壁上的绝缘体材料1494将用作信号电荷清除接触部的第二导电类型掺杂部1434连接至MIG层。绝缘体材料1494优选地为被充以正电的二氧化硅。由于正氧化物电荷，2D电子气层形成在二氧化硅和硅的界面处。如果第一导电类型为p型，并且第二导电类型为n型，则信号电荷是电子。从而，如果栅极1443被适当地偏置，则信号电荷电子从MIG层到掺杂部1434在2D电子气层中流动。
如果绝缘体层1307被充以正电，并且如果第一导电类型为p型以及第二导电类型为n型，则沟道停止掺杂部必须像图12中的沟道停止掺杂部1221那样非常大。在这种情况下，沟道停止掺杂部作为辐射进入窗。MIG层优选地在大面积沟道停止掺杂部1221下被构造。如果绝缘体层1307被充以正电，并且如果第一类型掺杂为n型以及第二类型掺杂为p型，则沟道停止掺杂部可像图11中的沟道停止掺杂部那样非常小。在这种情况下，在绝缘体层1307和半导体材料之间的界面处、除了像素掺杂部1331-1337和栅极1341-1345附近之外，存在2D电子气层。2D电子气层和绝缘体层1307在这种情况下用作沟道停止并用作可以非常薄的辐射进入窗。此外，该2D电子气层将次级电荷传送至沟道停止掺杂部1121。由于在该层中次级电荷传送距离非常短，因此大面积沟道停止掺杂部1221也可以制成非常薄。薄辐射进入窗能够实现对蓝光的很好的量子效率。
图15示出本发明再一实施例的四个像素，其中，可以仅使用小电压来清除信号电荷。环状沟道停止掺杂部1521收集次级电荷。在该环状掺杂部1521外侧，充有正电的绝缘体材料在绝缘体半导体界面处形成2D电子气层，该界面用作辐射进入窗和用作沟道停止。区域1591缺少MIG层。切割线1580、1581、1582和1583对应于由图16A、图16B、图16C和图16D表示的截面。形成源极/漏极的像素掺杂部1632和栅极1646属于一个像素。形成源极和漏极的像素掺杂部1635、1636和1637以及栅极1644、1645和1647属于另一像素。信号电荷清除掺杂部1634通过由导体层1695覆盖的绝缘体层1494连接至MIG层。导体层1695可以被偏置，使得2D电荷气层形成在绝缘体和半导体材料的界面处。因此，导体层1695和栅极1643、1646和1647可以控制从MIG层到掺杂部1634的信号电荷的流动。还可以将该栅极划分为属于每个像素的四个不同的部分(这还应用于栅极1343)。如果导体材料被适当地选择，还可以仅使用导体层1695而不使用绝缘体材料1494。在这种情况下，可以通过导体层1695来收集信号电荷。
应该注意，图11、图12和图15的像素不是按比例绘制的。包括沟道停止掺杂部的区域和可能的2D电荷气层的区域的沟道停止区应该覆盖像素的总面积的大部分，以能够获得对蓝光的很好的量子效率。属于一个像素的沟道停止区域与总像素区域的比率应该为至少0.3。有利地，该比率应该大于比率0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，其中，0.9对应于最有利的比率，以及0.4对应于最差的比率。
还值得注意的是，MIG层中的间隙不是改善MIG层中的信号电荷传送电势梯度的唯一方法。还可以改变势垒层、MIG层、或紧邻MIG层的体层中的掺杂浓度。例如，可以通过适当的注入和掩模结构来减小或增强MIG层掺杂部。局部地增加势垒层掺杂部，局部地减小MIG层掺杂部并局部地增加紧邻MIG层掺杂部的体层掺杂部，在MIG层内部创建信号电荷的局部电势极小点。另一方面，通过局部地减小势垒层掺杂部，通过局部地增加MIG层掺杂部，以及通过局部地减小紧邻MIG层掺杂部的体层掺杂部，可以在MIG层中创建信号电荷的局部电势最大值。通过适当地构建在MIG层中的增强部或减小部，可以与MIG层掺杂部中的间隙类似的方式改善IMG层中的信号电荷传送电势梯度。信号电荷传送梯度应该使得适当梯度存在于MIG层的每一处，将信号电荷向着希望位置传送，该位置例如是MIG层掺杂部的局部增强部1392。还可以通过将点添加到掺杂部来构建MIG层掺杂部的局部增强部，使得其类似于星(star)，以增加MIG层中的信号电荷传送电势梯度。如果沟道停止区与总像素区的比率很大，则可能被迫同时使用多种方法来代替上述方法之一，以保证MIG层中足够大的信号电荷传送电势梯度。
又一个重要方面在于：代替连接MIG层和清除接触部1393的第二导电类型的掺杂部1393，还可以使用势垒层掺杂部中的局部减小部。势垒层掺杂部的该局部减小部应该位于与掺杂部1393相同的位置处，即，在清除接触部1393之下并且由清除栅极1343围绕。势垒层掺杂部的第一导电类型局部减小部中的净掺杂浓度与没有势垒层掺杂部局部减小部的第一导电类型势垒层掺杂部的净掺杂浓度的比率应小于0.9。有利地，比率应该小于0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2和0.1，其中0.8是最差比率，0.1是最好比率。与通过第一导电类型的掺杂部1393相比，通过第一导电类型的势垒层掺杂部的局部减小部去除信号电荷要求更高的清除接触部1393的电压。从而，掺杂部1393比势垒层掺杂部的局部减小部更有利。
图17A、图17B和图17C的实施例示出了改善信号和表面生成的电荷的分离的方法以及改善从体层收集次级电荷的方法。图17D、图17E、图17F、图17G、图17H和图17I示出改善信号和表面生成的电荷的分离的附加方法。像素掺杂部1731、1732和1733形成源极和漏极，以及导体1741和1742形成双MOSFET的栅极。沟道停止掺杂部1721收集次级电荷。
可以通过填充的沟槽来改善对来自体层的次级电荷的收集。图17A中的沟槽填充有第一导电类型的半导体材料1726；图17B中的沟槽填充有绝缘体材料1727，以及图17C中的沟槽填充有绝缘体材料1727和导体材料1728。如果导体材料被适当地选择，则可以从图17C的器件中去除绝缘体材料。第一导电类型的半导体材料1726可以由具有不同能量的多个第一导电类型深注入来代替。改善从体层收集次级电荷的结构1726、1727和1728的工作原理类似于从MIG层清除信号电荷的结构1393、1494和1695的工作原理。然而，在这种情况下，收集次级电荷而不是信号电荷。在具有薄体层的器件中，填充的沟槽1726、1727和1728可以穿过整个体层。次级电荷的收集可以进一步通过由在MIG层中的间隙1791围绕填充的沟槽1726、1727和1728来改善。填充的沟槽1726、1727和1728可以呈任意形状；它们可以例如是圆筒形或者它们可以围绕整个像素。如果沟槽足够深，则对应于图4的情况，图5和图6的中性体层电势可以达到沟道停止电势。
图17A至图17F中的第二导电类型的掺杂部1771、1772和1774、第一导电类型的掺杂部1775以及栅极1773和1776改善信号和表面生成的电荷的分离。图17A中的第二导电类型的掺杂部1771优选地被耗尽，得到用于第二导电类型的表面生成的电荷的沟道。该沟道向着像素掺杂部1731和1733引导第二导电类型的表面生成的电荷。图17D中的第二导电类型的掺杂部1774围绕沟道停止掺杂部1721。掺杂部1774与像素掺杂部分离，但是可以像图17A中的掺杂部1771那样很好地到达像素掺杂部。在这种情况下，掺杂部1774也优选地被耗尽。耗尽的表面的面积可以通过图17C中的栅极1773的偏置来控制。图17F中的栅极1776可以被偏置，使得在栅极之下形成第二类型的表面生成的电荷的沟道，改善信号和表面生成的电荷的分离。掺杂部1772和1775改变器件中的电势分布，以改善信号和表面生成的电荷的分离。代替第二导电类型掺杂部1771，还可以使用优选地被部分耗尽的第一导电类型掺杂部。
为了防止第二导电类型的掺杂部1771在像素掺杂部1731、1732和1733之间形成导电路径，优选地构造掺杂部1771。图17G示出这种结构的一个实施例，其中，掺杂部1777对应于掺杂部1771。切割线1780和1781对应于图17H和图17I中示出的截面。在图17G中，掺杂部1777和栅极1741和1742之间的最小距离与源极/漏极掺杂部1732的比率有利地大于源极/漏极掺杂部之间的距离L的0.1倍。有利地，比率应该大于0.2L、0.3L、0.4L、0.5L、0.6L、0.7L、0.8L、0.9L、L、1.2L、1.5L和2L，其中，第一个是较差比率，最后一个是最最好比率。
图18A、图18B和图18C的实施例示出了改善探测器的动态范围(即，改善MIG的信号电荷容量)的方法。像素掺杂部1831和1833是源极/漏极掺杂部，以及导体1841和1842是双MOSFET的栅极。MIG层的信号电荷容量已经通过MIG层掺杂部的局部增强部1392来改善。在图18A中，通过使得源极/漏极掺杂部1832更宽和通过在MIG层中、MIG层掺杂部的两个局部增强部1392之间增加间隙1891进一步改善MIG的信号电荷容量。在图18B中，通过将源极/漏极掺杂部1832分为两个独立的部分1834和1835并通过在其间增加栅极1843来改善MIG的信号电荷容量。在图18C中，通过在两个掺杂部1834和1835之间增加第二导电类型的掺杂部1836和两个栅极1844和1845来进一步改善信号电荷容量。
MOSFET不是与MIG结合使用的唯一可能的晶体管。在图19中，MOSFET由BJT来代替。第二导电类型的像素掺杂部1931和1932是基极掺杂部，并且第一导电类型的掺杂部1951和1952是BJT的发射极掺杂部。第一导电类型的沟道停止掺杂部1921作为用于收集由发射极发射的第一导电类型的电荷的BJT的集电极。除了BJT的三个传统节点之外，还存在第四个节点，即，MIG。MIG中的信号电荷减小有效基极宽度。从而，MIG中的信号电荷增加发射极电流。这种效果可以被测量并且可以从该测量中推导信号电荷的量。像素掺杂部1931包含附加弯曲(buckling)1974。在沟道停止掺杂部1321之下还存在势垒层的局部增强部1929，其增加了向着MIG层掺杂部的局部增强部1392传送信号电荷的MIG层中的电场分量。可以与MIG层掺杂部中的间隙1191和1591相同的方式构建势垒层掺杂部的局部增强部的外形。
在图20中，MOSFET由结型场效应晶体管(JFET)代替，其中，栅极掺杂部由MOS栅极2041和2042代替。像素掺杂部2031和2032用作源极、漏极和沟道掺杂部。像素掺杂部还具有弯曲2075。
在目前已经介绍的包括MIG的所有晶体管中，MIG中的信号电荷均减小了有效沟道或基极宽度。图21和图22示出了包括MIG的晶体管，其中，MIG中的信号电荷增加了有效沟道或基极宽度。在图21中，像素掺杂部2131和2132用作集电极掺杂部，并且第一导电类型的掺杂部2151和2152用作基极掺杂部。发射极2161和2162由例如类似多晶硅的多晶半导体材料形成。在图22中，像素掺杂部2206是密封沟道停止掺杂部2221的连续层。在第一导电类型的像素掺杂部2206内部，还存在两个MOSFET的源极和漏极掺杂部2251、2252、2253和2254。导体2241和2242是两个MOSFET的栅极。
图23和图24示出了可以用作存储单元或晶体管的半导体器件。第二导电类型的掺杂部2331和2332是漏极和源极，并且导体2341是MOSFET的栅极。栅极2342控制从第二导电类型的掺杂部2333通过第二导电类型的区域1393到MIG层的信号电荷流动。在图24中，MOSFET由具有第二导电类型的基极2431和第一导电类型的发射极2451的BJT来代替。在图24的器件中，填充的沟槽1494、1695具有与图23中的掺杂区域1393相同的功能。如果图23和图24的器件被用作存储单元，则充满信号电荷的MIG和没有信号电荷的MIG对应于1和0，反之亦然。如果图23和图24中的器件被用作晶体管，则MIG层可以被非常重地掺杂，即，其内部可以是中性的，并且其在除FET中的源极、漏极和栅极以及除BJT中的发射极、基极和集电极之外，还在晶体管中形成第四个节点。
还存在另外一种方法来操作MIG探测器和之前没有介绍的新的MIG探测器。在这种情况下，FET的源极、漏极和栅极电势使得在栅极之下的沟道被关闭，即，在源极和漏极掺杂部之间不存在电流路径。如果源极和漏极掺杂部处于相同的电势，则可以仅使用一个像素掺杂部来代替两个独立的掺杂部(例如，参见图25)。当例如光脉冲在探测器中被吸收时，信号电荷将流到MIG。这将在栅极中产生电流脉冲，并且该电流脉冲可以用于入射(incident)的精确定时。图25至图31中示出了对应于栅极信号检测模式的新的MIG探测器。图25中的切割线2580和图26中的切割线2680对应于图27A中示出的截面。像素掺杂部2731和栅极2741的可选沟道停止掺杂部2721的电势使得在栅极之下的半导体绝缘体界面被耗尽，从而可以形成栅极信号。如果半导体绝缘体界面被锁定在像素掺杂部电势，即，如果在栅极之下存在沟道，则当多个信号电荷到达MIG时，在栅极中将不产生信号或只产生非常微弱的信号。例如，可以通过在沟道停止掺杂部和像素掺杂部之间施加清除偏压来清除信号电荷。
图25的栅极信号MIG探测器可以被结合到读出芯片。在这种情况下，由于像素化探测器结构，可以获得时间和2D位置信息。另一种可能性为通过金属线连接一行或一列像素的栅极，以形成带状探测器。带状探测器能够进行时间和一维(1D)位置信息的检测。再一种可能性为将栅极划分为两个或三个不同部分，并且将每部分连接至指向不同方向的不同信号线，以实现时间和2D位置信息。图26的栅极信号MIG探测器是带状探测器并且切割线2680对应于图27A中示出的截面。在图27B中，图26的探测器的栅极2741由其顶部是金属覆盖物2742的绝缘体层2707围绕。可选的金属覆盖物2742进一步减小了探测器的噪声。
图28至图31中的带状探测器表示栅极信号MIG探测器的不同实施例。在图28中，栅极2841连接至用于连接在一行或一列像素中的栅极的第二层金属2842。在这种情况下，像素掺杂部被分为两个部分2831、2832。除像素掺杂部2731被划分为多个部分2931、2932之外，图29中的探测器与图26中的相同。图29中的虚线对应于位于栅极之下的像素掺杂部。相同的实施也应用在图30和31中。图30中的探测器仅具有一个像素掺杂部3031，紧挨着该像素掺杂部3031是两个栅极3041和3042。在图31中，仅存在一个栅极3141和多个像素掺杂部3131。MIG层掺杂部的增强部可以位于例如图28至图31中的栅极之下。
在图35A和图35B中示出了现有技术的带状探测器。在图35A的结构中，通过掺杂部3531收集信号电荷，这改变掺杂部3531的电势。这样产生到栅极3541的信号，该栅极3541保持在恒定电势。然而，除体生成电流之外，掺杂部3531还收集表面生成电流。该漏电流还在栅极中产生相同大小的电流。探测器中的噪声可与漏电流的平方根相等。在这种带状探测器中，表面生成电流典型地比体生成电流高大约20倍，因此图35A中的带状探测器的噪声很高。在图35B的现有技术的器件中，掺杂部3532和3533收集表面生成的电荷，这意味着掺杂部3531仅收集体生成电流。然而，掺杂部3532和3533还收集一部分信号电荷。从而，图35B的带状探测器中的信噪比典型地比图35A的带状探测器的信噪比差。可以很容易地比较图35A中带状探测器的信噪比与栅极信号MIG探测器的信噪比。图35A中的器件的寄生电容与总电容的比率接近0。在栅极信号MIG器件中，寄生电容与总电容的比率大约为0.5，导致比现有技术的器件小一半的信号。但是，在MIG探测器中，像素掺杂部收集表面生成的电荷，并且MIG仅收集体生成电流。从而在图35A的现有技术器件中的噪声为比MIG探测器中的噪声高20的平方根倍。从而，MIG探测器中的信噪比被估计为高于图35A的现有技术的探测器的信噪比2.2倍。
信号电荷还可以经过多个像素被传送到读出像素，在那里测量信号电荷的量。图44A中示出的器件是这种器件的一个实例，其以与电荷耦合器件(CCD)相同的方式工作。当第一导电类型的像素掺杂部4431、4432和4433的电势被循环改变时，可以在MIG层104中传送信号电荷。像素掺杂部还可以作为抗模糊结构工作。可以通过在沟道停止掺杂部4421和像素掺杂部之间施加清除电压来去除MIG层中的信号电荷。如果器件是前照式的，则沟道停止区域的尺寸应该很大，以具有对蓝光的很好的量子效率。切割线4480和4481对应于图44B和图44C所示的截面。
图32B至图32D、图33A至图33C以及图34A至图34D示出了新的MIG探测器的不同制造方法的实例。这些处理的起点为在图32A中示出的第一导电类型的裸露衬底103。图32B至图32D中示出的制造过程类似于CMOS处理。在图32B中，两个掩模工序、两个第二类型注入和推进(drive in)被执行，以形成为第二导电类型的阱3204和掺杂区域3292。使用阱3204来形成MIG层，以及可选的掺杂区域3292用于形成MIG层掺杂部的增强部。在图32C中，一个掩模工序、一个第一导电类型的注入以及一个推进被执行以形成第一导电类型的阱3205。阱3205用作势垒层。在图32D中，至少一个掩模工序和注入被执行以形成第二导电类型的像素掺杂部3231。第二导电类型的掺杂部3234为可选的信号电荷清除接触部。在此阶段，还可以执行其他掩模处理和注入步骤，以形成例如沟道停止、衬底接触部以及其他前述的掺杂区域。此后，执行退火步骤，然后形成绝缘体和金属层以及通过绝缘体层的通孔。
图33A至图33C中示出了涉及深注入的新MIG探测器的制造方法。在图33A中，一个掩模工序、一个第一导电类型的注入以及推进被执行，以形成第一导电类型的阱3305。阱3305用作势垒层。在图33B中，两个掩模工序和两个第二导电类型的高能量深注入被执行，以形成MIG层3304和MIG层掺杂部的可选增强部3392。在图33C中，一个掩模工序和一个第二类型注入被执行，以形成像素掺杂部3331。第二导电类型的掺杂部3334是可选的信号电荷清除接触部。区域3396是位于清除接触部之下的净势垒层掺杂部的局部减小部。在此阶段，还可以执行其他掩模和注入步骤。接下来，执行退火步骤，然后形成绝缘体和金属层以及通过绝缘体层的通孔。形成势垒层的阱3305可以使用中间能量注入被很好地执行。
图34A至图34D中示出的制造过程类似于BiCMOS处理。在图34A中，两个掩模步骤和第二导电类型的两个注入以及可选的退火步骤被执行，以形成MIG层3404和MIG层掺杂部的可选增强部3492。在图34B中，第一导电类型的外延层3405在半导体衬底103的顶部生长。外延层3405形成势垒层。在图34C中，一个掩模步骤和一个第一类型注入在外延层3405上进行，以形成像素掺杂部3431和可选的清除接触部3434。在此阶段，其他掩模和注入步骤可以被执行，以形成例如沟道停止。在图34D中示出了可选掩模和第二导电类型中间能量注入步骤，以在清除接触部3434和MIG层3404之间形成第二类型掺杂部3493。应该注意，如果该第二类型中间能量注入的量较低，则仅在清除接触部3434之下产生净势垒层掺杂部的减小部。
应该注意，之前所示的制造新的MIG探测器的方法仅是实例。除此之外，还存在大量的其他方法。可以任何适当的方式或顺序结合之前介绍的不同方法的不同工序。虽然在图32A至图34D中没有示出衬底接触部和沟道停止掺杂部，但是如已经陈述的，它们在适当的条件下可以被加入到处理流程中。例如，可以通过研磨体层103的后侧或通过在SOI晶片上制造图32D、图33C和图34D的器件来从图32D、图33C和图34D的器件中制造薄的背照式器件。SOI晶片具有两个半导体层并且在他们之间具有一个绝缘体层。在处理其他半导体表面之后，可以在探测器的有源区下蚀刻半导体晶片的其他侧，直到到达绝缘体层。此后，绝缘体层可以被蚀刻掉，此后，处理后的半导体层的后侧，即体层，可以被覆盖有例如抗反射涂敷。
第一导电类型可以为n型，以及第二导电类型可以为p型。图11至图34D和图44A至图44C的实施例可用于前照式和后照式探测器，并且他们中的任意结合均可以使用。需要重点注意的是，图11至图34D和图44A至图44C中示出的实施例和处理还可以用于由文档PCT/FI2004/000492和PCT/FI2005/000359示出的并且具有导电后侧层的MIG探测器中。像素可以具有任何形状或形式，来代替图11、图12和图15中示出的像素。可以使用单晶体管或多晶体管像素代替双晶体管像素。然而，在双晶体管像素中多次读取信号电荷的速度是在单晶体管像素中的两倍。代替MOSFET、JFET以及BJT，可以在像素中使用单极或双极晶体管。FET的源极或双极晶体管的发射极可以浮置，并且可以连接至电容器。像素可以由优选地环形保护结构围绕，该保护结构由MOS结构或掺杂形成，以增大像素面积。本发明的掺杂部还可以使用具有不同掩模、不同能量、不同剂量、不同导电类型的任何可能方式来制作(tailor)。在一些情况下，掺杂部还可由适当的金属接触部(即，用欧姆或肖特基型接触部)来代替。半导体材料优选为硅，但是可以使用任何其他半导体材料。例如，半导体材料可以为锗。未示出通过绝缘体层1307的接触部开口和到不同掺杂部的接触部。沟道停止掺杂部在图7和图8的器件中是可选的，并且它们可以浮置。可以在前照式和背照式探测器中使用抗反射涂层、闪烁体涂层或微透镜。
MIGFET的MIG中的信号电荷量可以例如通过测量阈值电压的改变、通过测量流经MIGFET的电流的改变、或通过测量经过已知电阻器的电压输出的改变来获得，该电压输出的改变对应于流经MIGFET的电流的改变。例如，MIGBJT的MIG中的信号电荷量可以通过测量发射极电流的改变或通过测量经过已知电阻器的电压输出的改变，或通过测量基极或发射极阈值的改变来获得，该电压输出的改变对应于流经发射极的电流的改变。基极阈值被称为发射极电流开始流动的基极电压。发射极阈值被称为发射极电流开始流动的发射极电压。还存在其他信号电荷读出方案，并且所有读出方案均可以涉及例如电容器、晶体管、电阻器等。
需要重点注意的是，MIG使得能够检测到非常少量的信号电荷。这可以通过当在MIG中存在信号电荷时进行测量、通过从MIG中去除信号电荷、通过当不存在信号电荷时进行测量、通过从第二次测量值中减去第一次测量值并进行n次来实现。结果，读取的噪声将是一个测量值除以n的平方根的读取的噪声。但是，这不是检测少量信号电荷的唯一方法。还可以利用适当操作电压传送来自MIG的信号电荷并将该信号电荷传送回MIG，导致信号电荷的雪崩倍增的方式来设计新的MIG探测器(以及MIG探测器)。这种雪崩倍增循环可以执行n次，之后，信号电荷倍增至N×m^n，其中，m是单个信号电荷传送的雪崩倍增增益。两种方法中的第一种能够实现更高的动态范围。然而，两种方法也可以结合，即，可以先执行第一种方法，然后执行第二种方法。第一种方法，即，多次读取方法利用施加较低的偏压来执行；以及第二种方法，即，利用施加较高的偏压来执行雪崩增益方法。这种结合的方法具有与多次读取方法相同的动态范围。
在图11、图12和图15中示出了四个像素的组，各个像素的前表面或后表面均可以通过滤色器以及可利用一个或多个微透镜来覆盖。例如，最上面和最下面的像素可以具有绿色滤色器，以及左边和右边的像素可以分别具有蓝色和红色滤色器。图11、图12和图15中的探测器的前表面或后表面还可以通过单个滤色器以及可能利用微透镜来覆盖。在这种情况下，优选地将光划分为三种不同分量，例如，红色、绿色和蓝色，并且优选地三种独立的芯片可用于相机。应该注意，所发明的探测器应该被设计为使得在FET的沟道和MIG层之间以及在BJT的基极和MIG层之间的势垒层中不存在中性区，由于这种中性区增加了测量中的噪声。还应该注意，图1至图35B中的所有均不成比例，并且图1至图35B中示出的所有栅极和金属层均由透明导体形成。还有利地使用自对准结构，以减小掩模的不对准。代替正方形FET，还可以使用环形FET。图未按比例绘制，从而沟道停止掺杂部的区域可以比图中表示的大很多。如果不影响MIG的工作原理，则在器件中还可以存在附加层。例如，这种附加层可以为第一或第二导电类型的半导体材料的薄层。
在探测器芯片上还可以存在读取和选择电子器件。包括根据本发明实施例的探测器的器件还可以包括其他半导体芯片，其中的一些可具有到探测器的像素的结合连接。这使得能够构建非常紧凑的结构，包括探测、放大、读取，以及在一些情况下甚至非常小体积的存储，例如，MCM(多芯片模块)。
图36至图43的2D仿真结果示范了MIG探测器概念的可行性。图36示出了具有n型体层103、p型MIG层104和n型势垒层105的MIG探测器。P型像素掺杂部3631、3632以及3633用作源极/漏极掺杂部，栅极3641和3642被用于测量和传送信号电荷，以及沟道停止接触部3621被用于信号电荷清除。MIG层掺杂部的增强部3692收集在这种情况下为空穴的信号电荷。图36中所示的情况是在通过将清除电压施加至沟道停止接触部来清除信号电荷之后的情况。图37示出了在MIG层掺杂部的局部增强部中累积一些体生成空穴后的情况。在图38中，通过将适当的电压瞬时施加到像素掺杂部和栅极，将MIG层掺杂部的左边局部增强部中的所有空穴均移动到MIG层掺杂部的右边局部增强部。在图39中，通过将适当电压瞬时施加至像素掺杂部和栅极，MIG层掺杂部的右边增强部中的空穴移动到MIG层掺杂部的左边增强部。需要重点注意的是，图36至图39中的所有电势均相同；只有空穴的位置不同。图40示出了在MIG层掺杂部的两个局部增强部中的空穴浓度，以及图41示出了在MIG层掺杂部的局部增强部的组合的空穴浓度。
在图42中，p型像素掺杂部4233、p型清除接触部4234、n型清除栅极4243、以及n型掺杂部4221的电势使得在p型像素掺杂部4233之下在MIG层中累积空穴。在图43中，清除栅极电势被改变，并且空穴可以自由地从MIG层通过p型掺杂部4293移动到清除接触部。除以上介绍的效果外，仿真示出了阈值电压的改变可以大于100μm。

Claims (65)

1.一种半导体辐射探测器器件，包括半导体材料的体层(103)，并且在所述体层(103)的第一表面上按以下顺序设置：
第二导电类型的半导体的改进的内部栅极层(104，304)；
第一导电类型的半导体的势垒层(105)；以及
第二导电类型的半导体的像素掺杂部(111，112，1331，1332，1333，1334，2206)，适于连接到至少一个像素电压，以创建对应于像素掺杂部的像素，其特征在于：
所述器件包括第一导电类型的第一接触部，所述像素电压被定义为所述像素掺杂部和所述第一接触部之间的电势差，以及，
所述体层(103)是第一导电类型的。
2.根据权利要求1所述的半导体辐射探测器器件，其中，多个像素掺杂部(111，112，1331，1332，1333，1334，2206)包括建立在所述像素掺杂部上的像素特定晶体管，所述晶体管为场效应晶体管或双极晶体管，并且所述半导体辐射探测器器件包括信号电荷读取器电路，所述信号电荷读取器电路适于测量与所述像素特定晶体管的有效沟道或基极尺寸相关的像素特定晶体管的电特性。
3.根据权利要求2所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述信号电荷读取器电路适于测量像素特定晶体管的电特性，所述像素特定晶体管与由位于与包含所述像素特定晶体管的像素一致的位置处的所述改进的内部栅极层中积累的辐射感应的空穴或电子导致的减小的沟道或基极宽度相关。
4.根据权利要求2所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述信号电荷读取器电路适于测量像素特定晶体管的电特性，所述像素特定晶体管与由位于与包含所述像素特定晶体管的像素一致的位置处的所述改进的内部栅极层中积累的辐射感应的电子或空穴导致的增加的沟道或基极宽度相关。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体辐射探测器器件，包括在像素之间的沟道停止区。
6.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述沟道停止区包括第一导电类型的掺杂部(121，122，1121，1221，1521，1721)，从而与所述像素相比表现出相反类型的导电性。
7.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述第一接触部(725)在所述探测器的后表面(102)上，或在所述探测器的前表面(101)上的有源区外部，或在所述探测器芯片的边缘(700)上。
8.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述探测器被从所述第一表面照射。
9.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述第一导电类型的所述势垒层(105)中存在第二导电类型的掺杂区域(1393)、或者在第二导电类型的所述改进的内部栅极层(104)和第二导电类型的像素掺杂部(1334，1434，1634，3334)之间的势垒层掺杂部的局部减小部(3396)，或者其中，在所述改进的内部栅极层(104)和所述探测器的前表面之间存在沟槽。
10.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，第一导电类型的区域或沟槽结构穿过第二导电类型的所述改进的内部栅极层，以改善从所述体层(103)收集次级电荷。
11.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
12.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述改进的内部栅极层是不连续的。
13.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
14.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
15.根据权利要求6所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述像素之间的沟道停止掺杂部对应于所述第一接触部。
16.根据权利要求15所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述体层中生成的次级电荷由所述沟道停止掺杂部收集。
17.根据权利要求16所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述体层从与所述第一表面相对的第二表面变薄，并且所述半导体辐射探测器器件被从后表面(102)照射。
18.根据权利要求1至4和6中任一项所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述第一接触部(725)在所述探测器的后表面(102)上，或在所述探测器的前表面(101)上的有源区外部，或在所述探测器芯片的边缘(700)上。
19.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述体层中生成的次级电荷由所述第一接触部(725)收集。
20.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述探测器被从所述第一表面照射。
21.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述第一导电类型的所述势垒层(105)中存在第二导电类型的掺杂区域(1393)、或者在第二导电类型的所述改进的内部栅极层(104)和第二导电类型的像素掺杂部(1334，1434，1634，3334)之间的势垒层掺杂部的局部减小部(3396)，或者其中，在所述改进的内部栅极层(104)和所述探测器的前表面之间存在沟槽。
22.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，其中，第一导电类型的区域或沟槽结构穿过第二导电类型的所述改进的内部栅极层，以改善从所述体层(103)收集次级电荷。
23.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
24.根据权利要求18述的半导体辐射探测器器件，其中，所述改进的内部栅极层是不连续的。
25.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
26.根据权利要求18所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
27.根据权利要求1至4、6、15至16、和19中任一项所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述探测器被从所述第一表面照射。
28.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述第一导电类型的所述势垒层(105)中存在第二导电类型的掺杂区域(1393)、或者在第二导电类型的所述改进的内部栅极层(104)和第二导电类型的像素掺杂部(1334，1434，1634，3334)之间的势垒层掺杂部的局部减小部(3396)，或者其中，在所述改进的内部栅极层(104)和所述探测器的前表面之间存在沟槽。
29.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，其中，第一导电类型的区域或沟槽结构穿过第二导电类型的所述改进的内部栅极层，以改善从所述体层(103)收集次级电荷。
30.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
31.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述改进的内部栅极层是不连续的。
32.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
33.根据权利要求27所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
34.根据权利要求1至4、6、15至17、和19中任一项所述的半导体辐射探测器器件，其中，在所述第一导电类型的所述势垒层(105)中存在第二导电类型的掺杂区域(1393)、或者在第二导电类型的所述改进的内部栅极层(104)和第二导电类型的像素掺杂部(1334，1434，1634，3334)之间的势垒层掺杂部的局部减小部(3396)，或者其中，在所述改进的内部栅极层(104)和所述探测器的前表面之间存在沟槽。
35.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，其中，第一导电类型的区域或沟槽结构穿过第二导电类型的所述改进的内部栅极层，以改善从所述体层(103)收集次级电荷。
36.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
37.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述改进的内部栅极层是不连续的。
38.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
39.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
40.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，其中，栅极(1343，1643，1695)适于控制从所述改进的内部栅极层(104)到所述像素掺杂部(1334，1434，1634，3334)的信号电荷流，或者从所述改进的内部栅极层(104)通过第二导电类型的所述掺杂区域(1393)、通过所述势垒层掺杂部的所述局部减小部(3396)或通过沟槽到所述探测器的所述前表面的信号电荷流。
41.根据权利要求40所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述势垒层掺杂部的所述第一导电类型局部减小部的净掺杂浓度与没有所述势垒层掺杂部的所述局部减小部的所述第一导电类型势垒层掺杂部的所述净掺杂浓度的比率小于0.9。
42.根据权利要求40所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述栅极由第一导电类型的掺杂部(1443)形成。
43.根据权利要求40所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述栅极由MOS结构形成。
44.根据权利要求1至4、6、15至17、19、40、和42至43中任一项所述的半导体辐射探测器器件，其中，第一导电类型的区域或沟槽结构穿过第二导电类型的所述改进的内部栅极层，以改善从所述体层(103)收集次级电荷。
45.根据权利要求44所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
46.根据权利要求44所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
47.根据权利要求44所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
48.根据权利要求1至4、6、15至17、19、40、和42至43中任一项所述的半导体辐射探测器器件，包括改善信号和表面生成的电荷的分离的结构。
49.根据权利要求48所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
50.根据权利要求48所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
51.根据权利要求1至4、6、15至17、19、40、和42至43中任一项所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述改进的内部栅极层是不连续的。
52.根据权利要求51所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
53.根据权利要求51所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
54.根据权利要求1所述的半导体辐射探测器器件，包括在所述体层和所述改进的内部栅极层之间的第一导电类型或第二导电类型的半导体材料层。
55.根据权利要求1至4、6、15至17、19、40、42至43和54中任一项所述的半导体辐射探测器器件，包括以下至少之一：势垒层掺杂部的改变、改进的内部栅极层掺杂部中的间隙、所述改进的内部栅极层掺杂部的增强部、紧邻所述改进的内部栅极层的所述体层掺杂部的改变，以改善所述改进的内部栅极层中的信号电荷传送电势梯度。
56.根据权利要求55所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
57.根据权利要求1至4、6、15至17、19、40、42至43和54中任一项所述的半导体辐射探测器器件，包括在场效应晶体管的栅极之下或在双极晶体管的发射极之下的所述改进的内部栅极层掺杂部的局部增强部(1392)，以改善所述探测器的动态范围。
58.根据权利要求5所述的半导体辐射探测器器件，其中，一个像素的所述沟道停止区与总像素区的比率至少为0.3。
59.根据权利要求34所述的半导体辐射探测器器件，其中，所述势垒层掺杂部的所述第一导电类型局部减小部的净掺杂浓度与没有所述势垒层掺杂部的所述局部减小部的所述第一导电类型势垒层掺杂部的所述净掺杂浓度的比率小于0.9。
60.根据权利要求1所述的半导体辐射探测器器件，其中，在场效应晶体管的栅极之下的场效应晶体管的沟道被耗尽，并且其中，由所述辐射生成并进入所述改进的内部栅极层的信号电荷的脉冲被检测为在所述栅极中的电流脉冲。
61.一种用于探测辐射的方法，包括：
将半导体辐射探测器器件的表面上的多个像素连接至像素电压，以及
用辐射照射所述半导体辐射探测器；
其特征在于，其包括：
从所述半导体辐射探测器的体层(103)、改进的内部栅极层、以及势垒层将第一种辐射感应的信号电荷收集到第一种所述电荷的三维电势函数的局部极小部，所述局部极小部在位置上与位于紧邻所述体层(103)处的改进的内部栅极层(104，304)上的像素(111)一致，以及
检测收集到与像素(111)一致的局部极小部的信号电荷的量。
62.根据权利要求61所述的方法，其中，检测所述信号电荷的量包括：观察与像素特定晶体管的有效沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，检测所述信号电荷的量包括：观察与所述像素特定晶体管的减小的沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
64.根据权利要求63所述的方法，其中，检测所述信号电荷的量包括：观察与所述像素特定晶体管的增加的沟道或基极尺寸相关的所述像素特定晶体管的电特性。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，检测所述信号电荷的量包括：经过多个像素将像素相关的电荷转移到读出像素，并且观察所述读出像素的电特性。
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