CN103165630B - 基于光敏复合介质栅mosfet探测器的彩色成像方法 - Google Patents

Abstract

基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法，在栅极上加不同的电压脉冲，使MOSFET工作在深耗尽状态，根据所加栅极电压不同使耗尽区的深度不同，以此结合不同波长的光在硅中的穿透深度不同的原理，将入射光中的红、绿、蓝三中颜色的光子分开以分别进行收集与探测，实现在同一个像素中对红、绿、蓝三基色的探测，以进行彩色成像；具体操作方式为：在栅极加一个正向脉冲Vb，在P型硅半导体中形成一个深度一定的耗尽层，用来吸收蓝光光子，然后使栅极脉冲电压变化吸收红、绿光光子。本发明消除了传统彩色成像方法所遇到的色彩混淆现象，提高了量子效率，工艺流程简单，成本低，像素的可伸缩性极好。

Description

基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法

技术领域

本发明涉及成像探测器中彩色成像方法，尤其是在同一个单元像素里实现对三基色(红、绿、蓝)进行探测的器件结构、工作机制和操作方法。

背景技术

彩色成像方法在国防、医疗、监控及民用领域都有着极其重要的应用。目前主要的彩色成像方法可以分为两类：1.根据不同波长的光在半导体材料中所能穿透的深度不同这个原理，设计结构进行探测；2.采用一种所谓的拜尔彩色滤波阵列结构(Bayer colorfilter array)将不同波长的光分开进行探测。

第一类技术包含了非成像器件，只是利用不同波长的光在半导体材料中穿透的深度不同来进行光波长的探测。图1显示了不同波长的光在硅中所能穿透的深度。美国专利U.S.Patent 4011016就是根据这一原理设计了一种结构来进行辐射光波长的测量。在这类技术中，也有利用CCD这种传统的成像芯片原理设计了一种多埋层沟道CCD，利用不同波长的光子所穿透的深度不同，可以在不同的埋层沟道中被收集和进行光电子的转移。美国专利U.S.Patent 4613895就是这种器件的一个例子。但是这种多埋层沟道CCD在设计和制作上非常困难，价格也极其昂贵，所以至今仍然没有做出器件。还有一种利用三井结构来在一个单元像素上同时对红、绿、蓝三基色进行探测的成像器件，其结构图如图2所示。这种结构包含了一个P-N-P的三井结构，表层进行了一次浅的N型注入，这样，就在这个器件中形成了三个P-N结。其中表层的P-N结用来吸收蓝光，中间层P-N结吸收绿光，底层P-N结吸收红光。这种结构的优点是在利用一个单元像素就可以同时对三基色进行探测，无需滤色片和复杂的色彩复原算法。同时也避免了在Bayer彩色滤波阵列中会遇到的色彩混淆现象。相关专利如U.S.Patent 5965875。

第二种彩色成像方法则利用一种Bayer彩色滤波阵列结构来进行色彩分离探测。这种技术为目前市场上的彩色相机的主流技术。使用CCD和CMOS-APS作为成像芯片的彩色成像方法也采用这种结构。图3为Bayer彩色滤波阵列结构(Bayer CFA)的示意图。它是在每一个CCD或者CMOS-APS单元像素上做一个彩色滤波片，用来过滤掉其余波长的光，保证每一个像素只能吸收三基色中的一种，最后用色彩补偿的算法来还原每一个像素上所对应的真实色彩情况。这种彩色成像方法由于每一个单元像素只收集三基色中的一种颜色，其他的成分都被滤色片过滤掉，需要通过补偿算法根据每个单元像素的采样结果来进行色彩还原。这样，在色彩还原的过程中就会遇到色彩混淆的问题，从而影响了成像的质量。同时，随着单元像素面积的不断缩小，滤色片的制作也将变的越来越困难。而且由于CCD和CMOS-APS的单元像素面积很难再继续缩小下去，它们的空间色彩采样频率也就无法得到继续的提高，这也加重了色彩混淆现象。

因此，本申请人提出了CN200910024504.6的光敏复合介质栅MOSFET探测器，但这种光敏复合介质栅MOSFET探测器需要在彩色成像领域作进一步工作。本发明基于光敏复合介质栅MOSFET成像探测器设计了一种全新的彩色成像方法。这种彩色成像方法在所发明的光敏复合介质栅MOSFET成像探测器的一个单元像素上实现了对三基色的同时测量。这就避免了色彩还原过程中容易出现的色彩混淆现象。由于所发明的光敏复合介质栅MOSFET成像探测器单元像素可以达到极小面积，也就大大提高了空间采样频率，进一步提高了彩色成像的图片质量。同时，本发明所基于的光敏复合介质栅MOSFET成像探测器完全与标准CMOS工艺兼容，无需复杂的滤色片阵列设计，因此也将大大缩减生产成本。

发明内容

本发明的目的是：利用不同波长的光在半导体中所能穿透的深度不同，基于已发明的光敏复合介质栅MOSFET探测器，在一个单元像素上实现对红、绿、蓝三基色的同时探测，并且在光敏复合介质栅MOSFET探测器阵列结构上实现彩色成像。

基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法，其单元像素结构已经在CN200910024504.6“光敏复合介质栅MOSFET探测器”中详细说明，图4为一个光敏复合介质栅MOSFET探测器基本单元结构。

本发明的技术方案是：基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法，其特征是在栅极上加不同的电压脉冲，使MOSFET探测器单元工作在深耗尽状态，根据所加栅极电压不同使耗尽区的深度不同，以此结合不同波长的光在硅中的穿透深度不同的原理，将入射光中的红、绿、蓝三中颜色的光子分开以分别进行收集与探测，实现在同一个像素中对红、绿、蓝三基色的探测，以进行彩色成像；栅极上所加电压脉冲的具体操作方式为：在栅极加一个正向脉冲Vb，在P型硅半导体中形成一个深度一定的耗尽层，用来吸收蓝光光子，紧接着将栅极脉冲电压升至V_FN，使收集的蓝光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化；然后使栅极脉冲电压变化为Vg，在P型半导体中形成一个更深的耗尽层，用来吸收绿光光子，紧接着将栅极脉冲电压升至V_FN，使收集的绿光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化；最后将栅极脉冲电压变化为Vr，在P型半导体中形成一个更深的耗尽层，用来吸收红光光子，紧接着将脉冲电压升至V_FN，使收集的红光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化。根据每次阈值电压的变化，计算出每次光电子存储层中所收集到的光电子数目，完成对入射光中红、绿、蓝三基色的探测，实现彩色成像。

所述复合介质栅MOSFET光敏探测器，每个单元探测器的构成是：在基底P型半导体材料(1)上方的两侧设有N型半导体区(2)构成源极和漏极，基底P型半导体材料(1)正上方的分别设有二层绝缘介质材料和控制栅极(7)，二层绝缘介质材料之间设有光电子存储层(8)，所述光电子存储层(8)是多晶硅、Si₃N₄、InGaN、金属膜或其它电子导体或半导体；控制栅极(7)是多晶硅、金属或透明导电电极；

与控制栅极(7)接触的第二绝缘介质材料是阻止光电子存储层(8)中存储的电荷流失到栅极的材料，第二绝缘介质材料是宽带半导体；基底P型半导体材料(1)接触的第一绝缘介质材料层在栅极低压下，有效隔离源极和漏极之间沟道和光电子存储层(8)，在栅极高压下或光子能量较高时，把所述沟道中电子扫入光电子存储层；源漏极在搜集光电子和储存光电子到光电子储存层(8)时均为悬空结构；第一绝缘介质材料即底层介质(5)，采用氧化硅、SiON或其它高介电常数介质；第二绝缘介质层的材料即顶层介质(6)，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料；

栅极与基底的电压差足够大时使得沟道中搜集的光电子能通过遂穿进入光电子存储层(8)，且基底层或栅极面至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，源极、漏极靠近MOSTFET沟道的一侧分别设有低掺杂的N型源极、漏极扩展区LDD(4)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)，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。

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，第一绝缘介质层(5)、光电子存储层(8)和第二绝缘介质层(6)分别设置在基底P型半导体材料(1)中央区域的正上方，光电子存储层(8)为分裂结构，第二绝缘介质层(6)将光电子存储层(8)和源极、漏极隔离开，第二绝缘介质层(6)上面是控制栅极(7)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)，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。

第一绝缘介质材料即底层介质(5)为：氧化硅1-10nm、氮化硅1-10nm、HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃，BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为1-5nm，或AlGaN1-100nm；

第二绝缘介质材料即顶层介质(6)为：氧化硅/氮化硅/氧化硅，等效SiO₂厚度为12-20nm，氧化硅10-20nm，氧化铝10nm，氧化硅10-20nm，氧化硅10-100nm，HfO₂、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄、或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为1-5nm，或AlGaN1-100nm；

光电子存储层为：多晶硅10-200nm、氮化硅3-10nm或InGaN10-200nm；

控制栅极(7)为：多晶硅10-200nm、铟锡化合物(ITO)10-200nm、金属或透明导电电极。

第一绝缘介质即底层介质为氧化硅1-10nm；第二绝缘介质层的材料即顶层介质为氧化硅/氮化硅/氧化硅或氧化硅/氧化铝/氧化硅，等效SiO₂厚度12-20nm，光电子存储介质多晶硅10-200nm，栅极为多晶硅。

栅极为钨，顶层介质氧化铝10nm，光电子存储介质氮化硅3-10nm，底层介质氧化硅1-10nm。

复合介质栅MOSFET光敏探测器的信号读取方法，所述探测器的光电子读出放大和复位的步骤是：

光电子读出放大：将探测器的源极和基底接地，漏极接合适正电压，通过调节栅极电压使MOSFET探测器工作在线性区；通过对输出漏极电流的直接测量，即测量曝光前后漏极电流的两个值进行比较来确定光信号的大小，得到漏极的电流变化量与搜集到的光电子数目的关系如下：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}W}{L}\·\frac{N_{\mathrm{FG}}q}{C_T}\·V_{\mathrm{DS}}---\left(1\right)$

其中ΔI_DS为曝光前-曝光后漏极电流变化量，N_FG为光电子存储层上存储的光电子数目，C_T为探测器光电子存储层的总等效电容，C_ox为光电子存储层和衬底之间栅氧化层电容，W和L分别为探测器沟道的宽度和长度，μ_n为电子迁移率，V_DS为漏极与源极的电压差；

复位：在探测器栅极上加负偏压V_G，衬底接地；当负偏压足够高，光电子存储层(8)中储存的光电子通过隧穿被扫回基底P型半导体材料(1)中。

将搜集到的光电子数目准确的读出，采用曝光前后分别进行两次读取的方法：

在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为V_CG1和V_CG2，通过测量两次漏极电流I_DS1和I_DS2，得到反映迁移率漂移前的跨导参数：

${\mathrm{\β}}_1^{\mathrm{CG}}=\frac{C_{\mathrm{CG}}}{C_T}\·\frac{C_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\μ}}_{n}W}{L}=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{DS}}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}---\left(2\right)$

式中μ_n为曝光之前的电子迁移率，C_CG为探测器顶层绝缘介质层电容，C_T为光电子存储层的总等效电容，V_DS为漏极与源极的电压差；ΔV_CG＝V_CG2-V_CG1，ΔI_DS＝ΔI_DS2-ΔI_DS1；

在曝光之后，为了补偿电子迁移率的漂移，也分别加两次控制电压，电压值分别为V_CG1和V_CG2，通过测量两次漏极电流I^* _DS1和I^* _DS2，得到反映迁移率漂移后的跨导参数：

${\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{CG}}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{DS}}^{*}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}=\frac{C_{\mathrm{CG}}}{C_T}\·\frac{C_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\μ}}_n^{*}W}{L}---\left(3\right)$

式中μ^* _n为曝光之后的电子迁移率，ΔV_CG＝V_CG2-V_CG1；

最后利用曝光前后V_CG1偏压下的电流值I^* _DS1和I_DS1，得到曝光前后浮栅上电荷的变化量：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{FG}}=(\frac{I_{\mathrm{DS}1}^{*}}{{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}-\frac{I_{\mathrm{DS}1}}{{\mathrm{\β}}_1^{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}})\·C_{\mathrm{CG}}---\left(4\right)$

式(4)准确读出曝光后所搜集到的光电子数目，克服因电子迁移率的漂移而带来的误差。

探测器的光电子读出放大之前的搜集、储存的步骤是：当栅极加正偏压脉冲，在P型半导体中形成耗尽层，当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在栅极电压的驱使下移动到沟道和底层绝缘层的界面处；增加栅极电压，当电压足够大的时候，光电子通过F-N隧穿后进入电荷储存层；如果光子能量足够大，大于半导体与底层绝缘介质的ΔE_c，光电子可以直接隧穿进入电荷储存层；在搜集光电子的阶段，源和漏应当悬空以防止电子从源和漏区注入；光电子存储层在存入光电子后会产生阈值电压的漂移，即漏极电流的漂移，通过对曝光前后漏极电流漂移量测量可以定出光电子存储层中光电子数目。

本发明具体的彩色成像操作方法为：在栅极加一个正向脉冲Vb，使P型半导体中形成的耗尽层深度等于蓝光在硅中的穿透深度0.2～0.5微米，用来吸收蓝光光子；接着使栅极脉冲电压增加至Vg，使P型半导体中形成的耗尽层深度等于绿光在硅中的穿透深度0.5～1.5微米，对绿光光子进行吸收；最后增加栅极电压至Vr，是P型半导体中形成的耗尽层深度等于红光在硅中的穿透深度1.5～3.0微米，对红光光子进行吸收。栅极所加电压脉冲如图5所示。具体的光子收集及读出方法，在专利“光敏复合介质栅MOSFET探测器”中已有详细说明。通过这个操作过程，实现在一个单元像素上对红、绿、蓝三基色的探测，最后通过算法还原彩色图像。

本发明的有益效果是，基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法优越性如下：与传统的Bayer彩色滤波片阵列结构的彩色成像方法相比，本发明的彩色成像方法克服了它的很多弱点，同时与采用三井工艺的X3彩色成像方法相比，又兼具了它的很多优点，是下一代彩色成像器件的理想选择。其特点和优越性包括：

消除了色彩混淆现象：本发明彩色成像方法实现了在每个单元像素中对红、绿、蓝三基色的探测，色彩分离是利用不同波长的光在半导体材料中的穿透深度不同这一特性，通过所加操作电压的变化来控制光敏复合介质栅MOSFET的耗尽层深度变化，以此来对红、绿、蓝三基色进行分离探测。避免了Bayer CFA中通过采样补偿的方式进行彩色还原所容易出现的色彩混淆现象。

工艺流程简单，成本低：本发明彩色成像方法所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器的生产工艺与标准闪存工艺技术基本兼容，可以通过对标准闪存工艺技术进行微调来生产基于光敏复合介质栅MOSFET的彩色成像芯片。并且与CCD和CMOS-APS所采用的BayerCFA彩色成像方法相比，省去了滤色片阵列的制作，进一步降低了生产成本。

量子效率得到提高：本发明彩色成像方法可以实现每个像素都能够对红、绿、蓝三基色进行探测收集光子，对入射光子做到基本完全收集。而CCD和CMOS-APS采用的Bayer CFA彩色成像方法需要经过滤色片把其余波长的光子过滤掉，每个像素只能对红、绿、蓝三基色中的一种进行探测收集光子，所收集的光子大约只有入射光的三分之一。所以本发明彩色成像方法使彩色成像探测器的整体量子效率约等于CCD与CMOS-APS的三倍。

像素可伸缩性极好：本发明彩色成像方法所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器在工艺上同闪存技术所使用的复合介质栅MOSFET完全兼容，可以随着闪存工艺的进步不断的缩小单元像素面积，且由于本发明的彩色成像方法不需要做滤色片阵列，也就避免了像素缩小所带来的滤色片制作困难的问题。目前市场上主流的彩色成像芯片CCD和CMOS-APS的单元像素大小约为1.2～6um，像素已经很难继续缩小下去，且滤色片的缩小制作也变的越来越困难，这就给彩色成像方法所要求的高的空间采样频率带来了技术瓶颈，影响彩色成像的图片质量。而本发明的彩色成像芯片单元像素大小可以在45nm光刻技术节点上达到0.02um²，提供CMOS-APS和CCD等彩色成像器件所不可比拟的空间分辨率，使彩色电子成像的质量达到和超过胶片，使物理分辨率高于光学分辨率。

附图说明

图1是光在硅中的穿透深度随波长的变化曲线。

图2是采用三井工艺的NPNP结X3彩色成像探测器的结构图。

图3是传统的CCD和CMOS-APS彩色成像芯片所采用的Bayer滤色片阵列示意图。

图4为本发明彩色成像方法所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器的单元像素结构示意图。

图5为本发明彩色成像技所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器的单元像素加栅极电压脉冲时衬底耗尽层深度示意图。图5a、5b和5c分别栅极加不同脉冲电压Vg，不同颜色光被探测的过程。

图6为本发明彩色成像方法的光电子产生、收集与存储过程图。

图7为本发明彩色成像方法进行彩色光敏编程后的电流-电压特性图。

图8为本发明彩色成像方法所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器的阵列结构示意图。

具体实施方式

入射光子在硅中随着其波长的不同所穿透的深度也将不同，图1显示了光在硅中的穿透深度与波长的关系曲线。如图中所示，蓝光(波长为400～490纳米)主要在硅中0.2～0，5微米深度出处被吸收，绿光(波长为490～575纳米)主要在硅中0.5～1.5微米处被吸收，红光(波长为575～700纳米)主要在硅中1.5～3微米处被吸收。

当MOSFET栅极所加电压为脉冲电压时，将使MOSFET工作在深耗尽状态，此时在底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层将随着栅极所加电压不同而不同，耗尽层深度与栅极所加电压关系式如下：

$W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_S}{C_O}[\sqrt{1+\frac{2V_G}{V_1}}-1]---\left(a\right)$

其中

$V_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{S}q{N}_A}{C_O^2}---\left(b\right)$

式中ε_S为硅的介电常数，C_O为底层介质电容，q为电子电荷量，N_A为衬底掺杂浓度。可见当栅极所加电压V_G变化时，其耗尽层深度W也将变化。根据这种原理，结合不同波长的光子在硅中的穿透深度不同，分别对红、绿、蓝三基色的光子进行收集探测。

利用不同波长的光在硅中的吸收深度不同的特性，结合MOSFET工作在耗尽区的特性，基于光敏复合介质栅MOSFET探测器单元像素结构，设计了如图5所示的彩色成像编程栅极脉冲电压操作方式。

所述彩色成像方法工作机理和过程如下：

本发明彩色成像方法基于光敏复合介质栅MOSFET探测器结构，所述复合介质栅MOSFET光敏探测器，每个单元探测器的构成是：在基底P型半导体材料(1)上方的两侧设有N型半导体区(2)构成源极和漏极，基底P型半导体材料(1)正上方的分别设有二层绝缘介质材料和控制栅极(7)，二层绝缘介质材料之间设有光电子存储层(8)，所述光电子存储层(8)是多晶硅、Si₃N₄、InGaN、金属膜或其它电子导体或半导体；控制栅极(7)是多晶硅、金属或透明导电电极；

与控制栅极(7)接触的第二绝缘介质材料是阻止光电子存储层(8)中存储的电荷流失到栅极的材料，第二绝缘介质材料是宽带半导体；基底P型半导体材料(1)接触的第一绝缘介质材料层在栅极低压下，有效隔离源极和漏极之间沟道和光电子存储层(8)，在栅极高压下或光子能量较高时，把所述沟道中电子扫入光电子存储层；源漏极在搜集光电子和储存光电子到光电子储存层(8)时均为悬空结构；第一绝缘介质材料即底层介质(5)，采用氧化硅、SiON或其它高介电常数介质；第二绝缘介质层的材料即顶层介质(6)，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料；

栅极与基底的电压差足够大时使得沟道中搜集的光电子能通过遂穿进入光电子存储层(8)，且基底层或栅极面至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，源极、漏极靠近MOSTFET沟道的一侧分别设有低掺杂的N型源极、漏极扩展区LDD(4)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)，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。

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，第一绝缘介质层(5)、光电子存储层(8)和第二绝缘介质层(6)分别设置在基底P型半导体材料(1)中央区域的正上方，光电子存储层(8)为分裂结构，第二绝缘介质层(6)将光电子存储层(8)和源极、漏极隔离开，第二绝缘介质层(6)上面是控制栅极(7)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)。控制栅极为多晶硅10-200nm、铟锡化合物ITO10-200nm、金属或者同名导电电极。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。

第一绝缘介质材料即底层介质(5)为：氧化硅1-10nm、氮化硅1-10nm、HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃，BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为1-5nm，或AlGaN1-100nm；

第二绝缘介质材料即顶层介质(6)为：氧化硅/氮化硅/氧化硅，等效SiO₂厚度为12-20nm，氧化硅10-20nm，氧化铝10nm，氧化硅10-20nm，氧化硅10-100nm，HfO₂、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄、或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为1-5nm，或AlGaN1-100nm；

光电子存储层：多晶硅10-200nm、氮化硅3-10nm或InGaN10-200nm。

具体的彩色成像操作流程如下：

(1)波长为400～490纳米的蓝光成分的探测

如图5a所示，根据公式(a)，在栅极上加一个脉冲电压Vb，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到0.2～0.5微米。当光入射到耗尽层中时，其中的蓝光成分在硅中穿透的深度也基本为0.2～0.5微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子。产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处。此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层。通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化可以定出光电子存储层中所收集到的蓝光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中蓝光的成分。

(2)波长为490～575纳米的绿光成分的探测

在过程1)蓝光成分被吸收和探测后，在栅极继续加一个电压脉冲，如图5b所示。根据公式(a)，此时在栅极上加一个脉冲电压Vg，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到0.5～1.5微米。当光入射到耗尽层中时，其中的绿光成分在硅中穿透的深度也基本为0.5～1.5微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子。产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处。此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层。通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化可以定出光电子存储层中所收集到的绿光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中绿光的成分。

(3)波长为575～700纳米的红光成分的探测

在过程1)和2)蓝光与绿光成分被吸收和探测后，在栅极继续加一个电压脉冲如图5c所示。根据公式(a)，此时在栅极上加一个脉冲电压Vr，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到1.5～3微米。当光入射到耗尽层中时，其中的红光成分在硅中穿透的深度也基本为1.5～3微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子。产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处。此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层。通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化可以定出光电子存储层中所收集到的红光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中红光的成分。

通过如上所述的操作过程，即可在同一个光敏复合介质栅MOSFET探测器单元像素中完成对入射光中红、绿、蓝三种成分的光子的探测，确定其中三基色的比例，再通过所编写的MATLAB色彩还原程序根据所探测的RGB三基色比例还原原始的彩色图像。

上述光电子的收集及存储具体过程为图6所示。图中过程1为衬底沟道表面的光电子发生F-N隧穿效应通过底层绝缘介质层进入电荷存储层；过程2为衬底沟道表面的光电子发生直接隧穿效应通过底层绝缘介质层进入电荷存储层。在光电子的搜集和存储阶段，光敏复合介质栅MOSFET的源端和漏端应当悬空以防止电子从源和漏区进入沟道。当所收集的光电子存储到电荷存储层中后，MOSFET就会产生阈值电压的漂移，通过对曝光前后阈值电压的漂移量的测量就可以定出电荷存储层中光电子的数目。图7显示了光敏复合介质栅MOSFET在曝光操作过程1)、2)和3)前后的I-V特性曲线，图中显示的ΔV_b、ΔV_g和ΔV_r分别对应了蓝光、绿光和红光所引起的MOSFET阈值电压变化量。

本发明的彩色成像方法所基于的光敏复合介质栅MOSFET可以根据现有的闪存工艺制备成光敏复合介质栅MOSFET彩色成像阵列芯片。在过去多年中人们所研发的很多种不同的复合介质栅MOSFET整合架构均可以用于本发明，而不需要考虑传统彩色成像芯片架构所需要考虑的滤色片阵列排布问题。图8给出了两种可用的阵列架构。

综上所述，本发明基于已经发明的光敏复合介质栅MOSFET探测器，设计了一种彩色成像操作技术，实现了在同一个光敏复合介质栅MOSFET探测器单元像素上对红、绿、蓝三基色的探测，简化了彩色成像芯片的生产工艺，降低了生产成本，提高了彩色成像的图像质量。因此利用其它结构、材料以及参数的MOSFET来作为彩色探测器或成像芯片，将不超过本发明所述彩色成像方法的功能原理和操作方法的核心内涵。

Claims (8)

1.基于光敏复合介质栅MOSFET探测器的彩色成像方法，其特征是在栅极上加不同的电压脉冲，使MOSFET工作在深耗尽状态，根据所加栅极电压不同使耗尽区的深度不同，以此结合不同波长的光在硅中的穿透深度不同的原理，将入射光中的红、绿、蓝三种颜色的光子分开以分别进行收集与探测，实现在同一个像素中对红、绿、蓝三基色的探测，以进行彩色成像；栅极上所加电压脉冲的具体操作方式为：在栅极加一个正向脉冲Vb，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到0.2～0.5微米，用来吸收蓝光光子，紧接着将栅极脉冲电压升至V_FN,使收集的蓝光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化；然后使栅极脉冲电压变化为Vg，在P型半导体中形成一个更深的耗尽层，用来吸收绿光光子，紧接着将栅极脉冲电压升至V_FN，使收集的绿光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化；最后将栅极脉冲电压变化为Vr，在P型半导体中形成一个更深的耗尽层，用来吸收红光光子，紧接着将脉冲电压升至V_FN,使收集的红光光电子存储至光电子存储层，读出MOSFET阈值电压的变化；根据每次阈值电压的变化，计算出每次光电子存储层中所收集到的光电子数目，完成对入射光中红、绿、蓝三基色的探测，实现彩色成像。

2.根据权利要求1所述的彩色成像方法，所基于的光敏复合介质栅MOSFET探测器单元像素结构，其特征是：在基底P型半导体材料(1)上方的两侧设有N型半导体区(2)构成源极和漏极，基底P型半导体材料(1)正上方的分别设有二层绝缘介质材料和控制栅极(7)，二层绝缘介质材料之间设有光电子存储层(8)，所述光电子存储层(8)是多晶硅、Si₃N₄、InGaN或金属膜；控制栅极(7)是多晶硅、金属或透明导电电极；

与控制栅极(7)接触的第二绝缘介质材料是阻止光电子存储层(8)中存储的电荷流失到栅极的材料，第二绝缘介质材料是宽带半导体；基底P型半导体材料(1)接触的第一绝缘介质材料在栅极低压下，有效隔离源极和漏极之间沟道和光电子存储层(8)，在栅极高压下或光子能量较高时，把所述沟道中电子扫入光电子存储层；源漏极在搜集光电子和储存光电子到光电子储存层(8)时均为悬空结构；第一绝缘介质材料即底层介质(5)，采用氧化硅或SiON；第二绝缘介质材料即顶层介质(6)，采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅或氧化铝；

栅极与基底的电压差足够大时使得沟道中搜集的光电子能通过隧穿进入光电子存储层(8)，且基底层或栅极面至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口；

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，源极、漏极靠近MOSTFET沟道的一侧分别设有低掺杂的N型源极、漏极扩展区LDD(4)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)，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；

源极、漏极的外部设有重掺杂的袋状P型半导体包裹区(3)，第一绝缘介质材料(5)、光电子存储层(8)和第二绝缘介质材料(6)分别设置在基底P型半导体材料(1)中央区域的正上方，光电子存储层(8)为分裂结构，第二绝缘介质材料(6)将光电子存储层(8)和源极、漏极隔离开，第二绝缘介质材料(6)上面是控制栅极(7)，控制栅极至底层绝缘介质层的两侧设有绝缘隔离层(9)，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。

3.根据权利要求1所述的彩色成像方法，其特征在于，根据权利要求1所述的彩色成像方法，其特征在于，在栅极加一个正向脉冲Vb，使P型半导体中形成的耗尽层深度等于蓝光在硅中的穿透深度0.2～0.5微米，用来吸收蓝光光子；接着使栅极脉冲电压增加至Vg，使P型半导体中形成的耗尽层深度等于绿光在硅中的穿透深度0.5～1.5微米，对绿光光子进行吸收；最后增加栅极电压至Vr，是P型半导体中形成的耗尽层深度等于红光在硅中的穿透深度1.5～3.0微米，对红光光子进行吸收。

4.根据权利要求3所述的彩色成像方法，其特征在于，所述光子收集及读出方法，光电子读出放大：将探测器的源极和基底接地，漏极接合适正电压，通过调节栅极电压使MOSFET探测器工作在线性区；通过对输出漏极电流的直接测量，即测量曝光前后漏极电流的两个值进行比较来确定光信号的大小，得到漏极的电流变化量与搜集到的光电子数目的关系如下：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{DS}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}W}{L}\·\frac{N_{\mathrm{FG}}q}{C_T}\·V_{\mathrm{DS}}---\left(1\right)$

其中ΔI_DS为曝光前-曝光后漏极电流变化量，N_FG为光电子存储层上存储的光电子数目，C_T为探测器光电子存储层的总等效电容，C_ox为光电子存储层和衬底之间栅氧化层电容，W和L分别为探测器沟道的宽度和长度，μ_n为电子迁移率，V_DS为漏极与源极的电压差。

5.根据权利要求3所述的彩色成像方法，其特征在于，栅极所加电压脉冲方式中，所加电压脉冲使光敏复合介质栅MOSFET工作在深耗尽状态，衬底耗尽区深度与栅极所加脉冲电压的关系为：

$W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_S}{C_O}\sqrt{[1+\frac{2V_G}{V_i}}-1]---\left(a\right)$

其中

$V_i=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{S}q{N}_A}{C_O^2}---\left(b\right)$

式中ε_S为硅的介电常数，C_O为底层介质电容，q为电子电荷量，N_A为衬底掺杂浓度；根据红、绿、蓝三基色的光子在硅中的穿透深度不同，选择相对应的栅极脉冲电压，实现在同一个光敏复合介质栅MOSFET中对红、绿、蓝三种光子的分开和探测。

6.根据权利要求3所述的彩色成像方法，其特征在于，栅极所加电压脉冲方式中，

1)波长为400～490纳米的蓝光成分的探测

根据公式(a)，在栅极上加一个脉冲电压Vb，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到0.2～0.5微米；当光入射到耗尽层中时，其中的蓝光成分在硅中穿透的深度为0.2～0.5微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子；产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处；此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层；通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化能够定出光电子存储层中所收集到的蓝光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中蓝光的成分；

2)波长为490～575纳米的绿光成分的探测

在过程1)蓝光成分被吸收和探测后，在栅极继续加一个电压脉冲；根据公式(a)，此时在栅极上加一个脉冲电压Vg，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到0.5～1.5微米；当光入射到耗尽层中时，其中的绿光成分在硅中穿透的深度为0.5～1.5微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子；产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处；此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层；通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化能够定出光电子存储层中所收集到的绿光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中绿光的成分；

3)波长为575～700纳米的红光成分的探测

在过程1)和2)蓝光与绿光成分被吸收和探测后，在栅极继续加一个电压脉冲；根据公式(a)，此时在栅极上加一个脉冲电压Vr，使光敏复合介质栅MOSFET底层介质层与P型硅衬底界面处的耗尽层深度达到1.5～3微米；当光入射到耗尽层中时，其中的红光成分在硅中穿透的深度为1.5～3微米，从而在此耗尽层中这部分入射光子被半导体硅吸收，产生光电子；产生的光电子在栅极电压的驱使下移动到MOSFET衬底与底层结缘层介质的界面处；此时再增加栅极电压至V_FN，使收集到的光电子通过F-N隧穿进入光敏复合介质栅MOSFET的电荷储存层；通过测量编程操作前后的MOSFET阈值电压的变化能够定出光电子存储层中所收集到的红光波段的光电子数目，从而确定入射光三基色中红光的成分；

通过如上所述的操作过程，即能在同一个光敏复合介质栅MOSFET探测器单元像素中完成对入射光中红、绿、蓝三种成分的光子的探测，根据光电子数目确定其中三基色的成分的比例，最后通过算法根据所探测的三基色比例还原原始的彩色图像。

7.根据权利要求1所述的彩色成像方法，其特征是将搜集到的光电子数目准确的读出，采用曝光前后分别进行两次读取的方法：

在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为V_CG1和V_CG2，通过测量两次漏极电流I_DS1和I_DS2，得到反映迁移率漂移前的跨导参数：

${\mathrm{\β}}_1^{\mathrm{CG}}=\frac{C_{\mathrm{CG}}}{C_T}\·\frac{C_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\μ}}_{n}W}{L}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{DS}}}{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}---\left(2\right)$

在曝光之后，为了补偿电子迁移率的漂移，也分别加两次控制电压，电压值分别为V_CG1和V_CG2，通过测量两次漏极电流和得到反映迁移率漂移后的跨导参数：

${\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{CG}}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{DS}}^{*}}{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}=\frac{C_{\mathrm{CG}}}{C_T}\·\frac{C_{\mathrm{ox}}{\mathrm{\μ}}_n^{*}W}{L}---\left(3\right)$

最后利用曝光前后V_CG1偏压下的电流值和I_DS1，得到曝光前后浮栅上电荷的变化量：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{FG}}=(\frac{I_{\mathrm{DS}1}^{*}}{{\mathrm{\β}}_2^{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}}-\frac{I_{\mathrm{DS}1}}{{\mathrm{\β}}_1^{\mathrm{CG}}\·V_{\mathrm{DS}}})\·C_{\mathrm{CG}}---\left(4\right)$

式(4)准确读出曝光后所搜集到的光电子数目，克服因电子迁移率的漂移而带来的误差；

探测器的光电子读出放大之前的搜集、储存的步骤是：当栅极加正偏压脉冲，在P型半导体中形成耗尽层，当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在栅极电压的驱使下移动到沟道和底层绝缘层的界面处；增加栅极电压，当电压足够大的时候，光电子通过F-N隧穿后进入电荷储存层；如果光子能量足够大，大于半导体与底层绝缘介质的ΔE_c，光电子能够直接隧穿进入电荷储存层；在搜集光电子的阶段，源和漏应当悬空以防止电子从源和漏区注入；光电子存储层在存入光电子后会产生阈值电压的漂移，即漏极电流的漂移，通过对曝光前后漏极电流漂移量测量能够定出光电子存储层中光电子数目。

8.根据权利要求3所述的彩色成像方法，其特征是栅极所加电压脉冲方式中，使衬底的耗尽层深度随着所探测的光子不同而相应的变化，具体为：当需要对蓝光光子进行探测收集时，栅极所加脉冲电压使衬底耗尽区深度为0.2～0.5微米；当需要对绿光光子进行探测收集时，栅极所加脉冲电压使衬底耗尽区深度为0.5～1.5微米；当需要对红光光子进行探测收集时，栅极所加脉冲电压使衬底耗尽区深度为1.5～3微米。