CN103828052B - 图像传感器的单位像素及其光电探测器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种图像传感器的单位像素及其光电探测器。光电探测器可以包括：衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的V形凹槽；在所述V形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；在所述光吸收部件与所述V形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；在所述V形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；在所述V形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及沿着所述V形凹槽在所述源极和所述漏极之间插入的沟道，用于在所述源极和漏极之间形成电流流动。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及图像传感器的单位像素(unitpixel)以及该单位像素的光电探测器。
背景技术
图像传感器是一种将光信号变换为电图像信号的传感器。当光照射到图像传感器芯片的单位像素内部的光吸收部件时，图像传感器检测入射到每一单位像素的光以及所述光的量，并将光信号变换为电信号，随后将电信号传送到模拟数字电路以形成图像。
常规的图像传感器可基于它们的结构与操作原理，分类为CCD(电荷耦合器件)型和CMOS(互补金属氧化物半导体)型。CMOS型图像传感器通常被称为CIS(CMOS图像传感器)。
在CCD型图像传感器中，通过施加到栅极的脉冲，由光在像素处产生的多组信号电子被发送到输出单元，变换为输出单元的电压，并逐个发送出。
在CMOS型图像传感器中，由光在像素处产生的信号电子和空穴被变换为像素内的电压。这些电压与包括行解码器和列解码器的信号处理器相连接，并通过依据时钟频率的开关操作，从像素发送出去。
图像传感器依据单位像素中是否存在放大器，可以是APS(有源像素传感器)或者PPS(无源像素传感器)。
PPS是无源器件，它在像素内不包含信号放大功能；PPS将器件的电流输出到外部，从而在像素外部将所述电流变换为电压。而另一方面，APS是有源器件，它在像素内包含信号放大功能。
PPS主要由一个光电二极管和一个选择晶体管构成，因而不仅可以具有大于APS(对于同样尺寸的像素，需要3-5个MOS晶体管)的孔径比，而且，能够提高与光吸收效率相关的占空因数(fillfactor)。
然而，由于光电二极管的光电流强度不大，并且光信号被变换为容易受到在信号处理中使用的外部环境影响的电流，因而，PPS具有固定模式噪声(FPN)的问题。
因此，APS尽管光吸收部件的尺寸小于PPS，然而对于同样尺寸的像素，由于在单位像素中具有多倍数量的晶体管，APS相比PPS能够提供具有相对较少噪声的图像信号。
对于入射到图像传感器的单位像素光吸收部件的一个光子，产生一个电子-空穴对(EHP)，产生的电子和空穴在作为光吸收部件的光电二极管中累积。
光电二极管的最大累积静电容量与光电二极管的光电检测面积成比例。特别是，在CMOS型图像传感器的情况下，布置有附随晶体管的面积大于CCD型图像传感器情况下的面积，因而光吸收部件面积的增加在物理上受到限制。此外，通常用作图像传感器的光吸收部件的光电二极管具有相对较小的静电容量，因而容易饱和，难以对光吸收部件产生的信号进行分段。
因此，CMOS图像传感器的单位像素需要相对长的光电荷累积时间，以便通过有限的光电检测面积产生用于信号处理的最少电荷。因此，不易于通过使用具有这种光吸收部件的单位像素来制造高密度/高速度帧图像传感器。
硅半导体的带隙是1.12eV，由硅半导体制成的光电探测器能够检测350nm至1150nm波长中的光能。在这里，由于光对于每一波长具有不同的固有能量，并且当光透入固体硅时具有不同的透入深度，因而对于每一波长的光电效率在光电探测器处也是不同的。为了检测可见光线的波长(400-700nm)，图像传感器形成P-N结的界面，以便能够更好地检测到绿色光，绿色光通常具有550nm波长中的能量。因此，在具有这种结构的图像传感器中，对于诸如蓝色等短波长以及近红外线的长波长的光电效率恶化，或者光信号被变换为噪声。
与图像传感器以及图像传感器的单位像素相关的现有技术包括美国公开号2004/021726(“UNITPIXELINCMOSIMAGESENSORWITHHIGHSENSITIVITY”)，美国公开号2009/0032852(“CMOSIMAGESENSOR”)，和美国公开号2010/0073538(“IMAGESENSOR”)。
美国公开号2004/021726公开了一种图像传感器，包括一个光电二极管以及传输晶体管、复位晶体管、驱动晶体管和选择晶体管这四个晶体管，该图像传感器通过将用于形成驱动晶体管和选择晶体管的有源区域与用于形成复位晶体管的有源区域分离开，防止驱动晶体管和选择晶体管受到电源电压(VDD)泄漏的影响。
然而，由于美国公开号2004/021726将光电二极管和四个晶体管集成在有限区域中，因而难以提供用于产生进行信号处理的足够电荷量的光电二极管区域。
美国公开号2009/0032852公开了一种图像传感器，该图像传感器通过允许构成CMOS图像传感器的像素具有多个浮动扩散区，能够在不损失灵敏度的情况下获得宽动态范围。
美国公开号2009/0032852的CMOS图像传感器通过在单独的浮动扩散区中，对具有低灵敏度但是对于亮度的动态范围很宽的信号、以及对于亮度的动态范围很窄但是具有高灵敏度的信号进行获取并合成，获得最终图像。
然而，由于上述CMOS图像传感器使用各个单独的浮动扩散区及其相关的晶体管来获取高灵敏度信号和宽动态范围信号，因而难以提供用于光电探测器的足够区域。
美国公开号2010/0073538公开了一种具有高光电导性的图像传感器。然而，美国公开号2010/0073538的图像传感器在P-N结上形成附加的膜层，以便增加P-N结二极管的光电导性，因而需要附加的制造工艺。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的实施方式提供一种高灵敏度/高性能图像传感器的单位像素以及所述单位像素的光电探测器，其能够利用少量的光输出大的光电流，在低照明等级的环境中实现高速帧操作，并且在同一屏幕中记录从低照明等级到高照明等级范围的视频。
本发明的一个方面的特点在于一种光电探测器，被配置为在用于将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素中吸收光，所述光电探测器可包括：衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的V形凹槽；在所述V形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；在所述光吸收部件与所述V形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；在所述V形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；在所述V形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及沿着所述V形凹槽在所述源极和漏极之间插入的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动。所述光吸收部件可掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极可掺杂有第二类型杂质。所述光吸收部件可通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘。通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，可通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子可通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且可通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
所述衬底可以是{100}型硅衬底，所述V形凹槽可通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
可通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度(W)和长度(L)之比。
所述源极和漏极可通过在主体中掺杂第二类型杂质而形成，所述主体可以是浮动的。
所述光电探测器的阈值电压可由于在所述氧化物膜中发生的隧穿而变化。
所述光电探测器还可包括在除了所述光吸收部件之外的表面上形成的阻光层，所述阻光层被配置为阻挡在除了所述光吸收部件之外的区域中透射光。
本发明的另一个方面的特点在于一种被配置为将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素，可包括：光电探测器，被配置为利用由入射光所引起的电荷量变化而使电流流动；以及选择器件，被配置为将所述光电探测器产生的电流输出至单位像素输出端子。所述光电探测器可包括：衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的V形凹槽；在所述V形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；在所述光吸收部件与所述V形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；在所述V形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；在所述V形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及沿着所述V形凹槽在所述源极和漏极之间插入的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动。所述选择器件可包括：与所述光电探测器的源极连接的漏极；接入到所述单位像素输出端子的源极；和被配置为从外部接收控制信号的栅极，其中可根据所述控制信号执行开关操作。所述光吸收部件可掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质。所述光吸收部件可通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘。可通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，可通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子可通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且可通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
所述衬底可以是{100}型硅衬底，所述V形凹槽可通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
所述光电探测器的源极和所述选择器件的漏极可形成在相同的有源区域中。
可通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度(W)和长度(L)之比。
本发明的又一个方面的特点在于一种光电探测器，被配置为在用于将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素中吸收光，所述光电探测器可包括：衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的U形凹槽；在所述U形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；在所述光吸收部件与所述U形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；在所述U形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；在所述U形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及在所述U形凹槽的下部区域中插入在所述源极和漏极之间的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动。所述光吸收部件可掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质。所述光吸收部件可通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘。可通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，可通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子可通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且可通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
所述衬底可以是{100}型硅衬底，所述U形凹槽可通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上，所述U形凹槽包含具有预定深度的斜坡。
可通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度(W)和长度(L)之比。
所述源极和漏极可通过在主体中掺杂第二类型杂质而形成，所述主体可以是浮动的。
所述光电探测器的阈值电压可由于在所述氧化物膜中发生的隧穿而变化。
所述光电探测器还可包括在除了所述光吸收部件之外的表面上形成的阻光层，所述阻光层被配置为阻挡在除了所述光吸收部件之外的区域中透射光。
本发明的再一个方面的特点在于一种被配置为将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素，可包括：光电探测器，被配置为利用由入射光所引起的电荷量变化而使电流流动；以及选择器件，被配置为将所述光电探测器产生的电流输出至单位像素输出端子。所述光电探测器可包括：衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的U形凹槽；在所述U形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；在所述光吸收部件与所述U形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；在所述U形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；在所述U形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及在所述U形凹槽的下部区域中插入在所述源极和漏极之间的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动。所述选择器件可包括：与所述光电探测器的源极连接的漏极；接入到所述单位像素输出端子的源极；和被配置为从外部接收控制信号的栅极，其中根据所述控制信号执行开关操作。所述光吸收部件可掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极可掺杂有第二类型杂质。所述光吸收部件可通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘。可通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，可通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子可通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且可通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
所述光电探测器的源极和所述选择器件的漏极可形成在相同的有源区域中。
所述衬底可以是{100}型硅衬底，所述U形凹槽可通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
可通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度(W)和长度(L)之比。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的透视图。
图2是根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的另一透视图。
图3是根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的剖视图。
图4是用于示出根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的沟道形成的剖视图。
图5是用于示出根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的阻光方法的剖视图。
图6是用于示出根据本发明一个实施方式的隧道结光电探测器的光入射角的剖视图。
图7是根据本发明一个实施方式的使用隧道结光电探测器的单位像素的电路示意图。
图8是根据本发明一个实施方式的使用隧道结光电探测器的单位像素的剖视图。
图9是是根据本发明另一实施方式的具有V形光吸收部件的隧道结光电探测器的透视图。
图10是用于示出根据本发明另一实施方式的具有V形光吸收部件的隧道结光电探测器的光入射角的剖视图。
图11是用于示出根据本发明另一实施方式的V形光吸收部件的示图。
图12是根据本发明另一实施方式的具有V形光吸收部件的另一隧道结光电探测器的剖视图。
图13是根据本发明又一实施方式的具有U形光吸收部件的隧道结光电探测器的透视图。
图14是根据本发明再一实施方式的具有U形光吸收部件的隧道结光电探测器的剖视图。
具体实施方式
由于可存在本发明的各种排列和实施方式，将参照附图图解和说明其中的一些具体实施方式。然而，这绝不是要将本发明限制为这些具体实施方式，而应当将本发明视为包括由本发明的构思和范围涵盖的全部排列、等效物和替代方式。
在本发明的整个说明中，当对于某种技术的说明被确定为会偏离本发明的要点时，将省略相关的详细说明。诸如“第一”和“第二”之类的术语可用于描述各种元件，但是上述元件不应被限于上述术语。上述术语仅仅用于将一种元件与另一种元件区分开。
当一种元件被描述为“连接”或“接入”另一元件时，可将其视为直接连接或接入到另一元件，也可视为在两元件之间还存在其他元件。另一方面，如果一种元件被描述为“直接连接”或“直接接入”另一元件时，应将其视为两元件之间不具有其他元件。
在下文中，将参照附图描述本发明的一些具体实施方式。
图1是根据本发明第一实施方式的隧道结光电探测器的透视图。如图1所示出，使用隧道结而不是常规光电二极管来实现单位像素的光电探测器。在这里，隧道结器件指的是利用在绝缘层中产生的隧穿效应进行工作的器件，在这种隧道结器件中，在两个导体或者半导体之间结合一个薄绝缘层。作为参考，隧穿效应是一种量子力学现象，其中在强电场的作用下，粒子穿过具有大于其固有动态能量的势能的区域。
在本发明的实施方式中，可以使用所述隧道结器件生成单位像素的光电探测器，而本发明的说明书和权利要求书中的“隧道结光电探测器”指的是使用所述隧道结器件实现的光电探测器。隧道结光电探测器可使用各种结构例如一般的n-MOSFET或者p-MOSFET结构来实现。此外，除了MOSFET之外，单位像素还可使用具有能够提供隧穿效应的结构的电子器件例如JFET、HEMT等等实现。
在图1中，隧道结光电探测器100是以NMOS结构实现的。隧道结光电探测器100形成在p型衬底110上，隧道结光电探测器100包括与一般NMOS电子器件中的源极相对应的N+扩散层120和与一般NMOS电子器件中的漏极相对应的N+扩散层130。在下文中，N+扩散层120、130将分别被称为隧道结光电探测器中的“源极”和“漏极”。
在源极120和漏极130之间形成薄氧化物膜140，在氧化物膜140上方形成掺杂有p型杂质的多晶硅150，多晶硅150对应于NMOS结构中的栅极。在这里，为了便于发生隧穿现象，优选的是将氧化物膜140形成为10nm或者以下的厚度，例如2nm、5nm、7nm等等。
与一般NMOS电子器件中的栅极不同，多晶硅150是以浮动结构形成的。此外，多晶硅150不在多晶硅150上方形成硅化物层，并且多晶硅150用作吸收光的区域。如果在多晶硅150上方形成硅化物层，则由于入射光会被反射，金属杂质使得难以通过光来形成电子-空穴对，并且光难以透入到多晶硅150中。
在下文中，本发明的说明书和权利要求书中的隧道结光电探测器100的多晶硅150的区域将被称为“光吸收部件”。
在源极120和漏极130上方形成金属接触部121、131，金属接触部121、131分别与外部节点相连接。源极120的金属接触部121经由金属线122与外部连接，类似地，漏极130的金属接触部131经由金属线132与外部相连接。
与一般NMOS电子器件不同，隧道结光电探测器100是以其中p型衬底110浮动的结构形成的。因此，隧道结光电探测器100在结构上与一般NMOS电子器件的不同之处在于，仅仅源极120和漏极130与外部节点连接。
此外，隧道结光电探测器100可以对称地形成。因此，可以将源极120和漏极130彼此替换。
在光电探测器100的除了光吸收部件150的上表面之外的上部上，形成有阻光层180。参见图5，通过在隧道结光电探测器100的除了光吸收部件150的上表面之外的上部上形成，阻光层180阻止光被吸收到除了光吸收部件150之外的区域中。这是为了有效地隧穿光吸收部件150的光电荷。此外，这是为了防止通过在除了光吸收部件150之外的区域中吸收光而导致产生寄生电荷，以及为了获得受控的光电流。可通过硅化物工艺形成阻光层180，并可以通过使用掩模而防止阻光层180形成在光吸收部件150上方。
图2示出了具有微透镜的光电探测器。在图2中，微透镜170对入射到光电探测器100的光进行会聚。在常见的图像传感器中，光是通过光学透镜(未示出)入射到图像传感器的。穿过光学透镜的光到达位于光电探测器100上方的微透镜170。微透镜170对入射在单位像素的前表面上的光进行会聚，并使得入射光能够进入光吸收部件150的上表面151。在这里，光吸收部件150的上表面151可被直接暴露，或者可以在光吸收部件150和空气之间形成钝化层，光可容易地穿透该钝化层。以使光会聚的方式，将微透镜170布置在未形成阻光层180的光吸收部件150的上方。
通过入射光，在源极120和漏极130与光吸收部件150之间形成电场，并在源极120和漏极130之间形成沟道160。具体来讲，通过入射到光吸收部件150的光产生电子-空穴对，并且通过隧穿效应，所产生的电子-空穴对中的电子从光吸收部件150向着源极120或者漏极130移动。由于电子的损失，光吸收部件150的空穴中的电荷量变得相对增加。因此，与常见的NMOS器件不同，由于由形成有掺杂浮栅的光吸收部件150的电荷量变化而引起的阈值电压调制效果(光电探测器的阈值电压由于在氧化物膜中发生的隧穿现象而变化)，形成了沟道160，并且电流变为在源极120和漏极130之间流动。
同时，隧道结光电探测器100可以以LDD(轻掺杂漏极)结构实现。通过以LDD结构实现隧道结光电探测器，可以减少由短沟道效应所导致的热载流子的产生。图3示出了根据本发明一个实施方式的以LDD结构形成的隧道结光电探测器的剖视图。
在图3中，隧道结光电探测器100在p型衬底100上形成，并且包括源极120和漏极130，源极120和漏极130都是N+扩散层。在这里，源极120和漏极130彼此对称，并且可以具有相同的器件属性。作为轻掺杂的n型区域的LDD区域123被形成在与源极120和氧化物膜141邻近的区域中。此外，作为轻掺杂的n型区域的LDD区域133可以被形成在与漏极130和氧化物膜140邻近的区域中。光吸收部件150的长度可以形成为与源极120的LDD区域123和漏极130的LDD区域133之间的距离相同。
当具有比掺杂杂质的耦合能量大的能量的光入射到光吸收部件150时，多个空穴在作为掺杂有p型杂质的多晶硅的光吸收部件150中变为自由态，与在光电二极管的耗尽层中电性发生的反应类似地产生电子-空穴对。所产生的电子-空穴对以电子和空穴的状态存在一段预定的持续时间，直到它们再次结合为止，这局部增加了空穴数量，从而增加了电荷量。
这些单独的电子在多晶硅的晶界外部自由地移动。这里，如果将外部电压施加到漏极130，则将电子拉到靠近漏极的LDD区域133的边缘。因此，电子在与LDD区域133邻近的光吸收部件150的边缘附近累积，并接收到电场作用。随着积累的电子的数量增加，形成了相对更强的电场。由此，这种在光吸收部件150边缘附近的电子积累现象变得速度加快。照射到光吸收部件150的光越强烈，便会形成越多的电子-空穴对，并形成越大的电场。
在LDD区域123和光吸收部件150之间的距离最短的边界区域141，以及在LDD区域133和光吸收部件150之间的距离最短的边界区域142，容易发生隧穿现象。当在边界区域141、142中满足能级条件时，发生隧穿效应。通过隧穿效应，在光吸收部件150的边界区域141、142中积累的电子可以朝着源极120或者漏极130移动。在这种情况下，光吸收部件150的总电荷量发生变化。也就是说，空穴的电荷的增加量与经由隧穿效应所损失的电子数量一样多，并且由于光吸收部件150的电势变化所引起的阈值电压调制效果，在源极120和漏极130之间形成了沟道160。通过所形成的沟道160，增加了电流量。
同时，如果光强度变得更小，或者光受到阻挡，则电荷量以与上述现象相反的方式，返回到其原始状态。如果光强烈地照射并随后受到阻挡，则光吸收部件150由于电子数量的增加而变为具有大量弱(+)电荷，但是通过在电势相对较低的漏极的LDD区域133的边界区域142以及源极的LDD区域123的边界区域141中所累积的电子，形成了电场。然后，沿着电子流入光吸收部件150的方向，在边界区域141、142中发生隧穿效应。当由于隧穿效应而流动的电子再次与空穴结合时，(+)电荷的数量减少。这将削弱由光吸收部件150产生的电场，并且减小或者消除在源极120和漏极130之间的沟道160。因此，流过沟道160的电流停止流动。
以沟道160处于紧接在夹断之前的状态的方式，在隧道结光电探测器100的制造工艺中设计沟道160。图4示出本发明的沟道160。在图4中，通过源极120和漏极130之间的电压差产生沟道160。此外，由于提供的电压，在源极120、漏极130和沟道160周围形成耗尽层161。在制造工艺中通过调节W/L比率(该比率是沟道宽度和长度之比)来制造沟道160，使得沟道160处于紧接在夹断之前的状态，同时不将任何外部电压施加到源极120和漏极130。在这里，由于发生夹断的条件可以随着元件的每种掺杂浓度以及隧道结光电探测器的每种属性而不同，因而可以为隧道结光电探测器的每一制造工艺实验性地设计W/L。
隧穿现象在源极120和漏极130的LDD区域与光吸收部件150之间的边界区域141、142中连续地发生。然而，当光强度较大时，隧穿在漏极130这侧更为显著；而当光强度较小时，隧穿在源极120这侧更为显著，由此保持平衡状态。
图6是用于示出根据本发明第一实施方式的隧道结光电探测器的光入射角的剖视图。
在图6中，通过微透镜会聚的光沿着光入射路径入射到光吸收部件150，所述光入射路径通过多层阴影部192而具有预定斜率。阴影部192可以通过沿着入射路径适当地布置用于信号传送和器件控制的金属线来形成。可以在多层阴影部192之间形成钝化层182，钝化层182可以利用基本不反射入射光的材料形成。
通过上述结构的隧道结光电探测器，可以使大于常规光电二极管上百甚至上千倍的光电流流动。常规光电二极管仅仅通过在静电容量中累积的电荷量来区分亮度，然而在根据本发明的实施方式的光电探测器中，通过光引起的光吸收部件的电荷量变化起着电场作用，由此控制沟道的电流流动。此外，由于可以通过漏极无限地提供所需要的电荷，因此信号可以在光电探测器中自放大。因此，可以以PPS结构实现单位像素，而无需引入额外的信号放大器件。当然，也可以使用常规APS方法实现单位像素。然而，在本实施方式中，为了便于说明与理解，单位像素是以使用隧道结光电探测器的PPS结构实现的。
在下文中，将参照附图说明根据上述实施方式的使用隧道结光电探测器实现的图像传感器的单位像素的一些实施方式。
图7是根据本发明第一实施方式的使用隧道结光电探测器的单位像素的电路示意图。图7中所示的单位像素包括一个隧道结光电探测器100和一个选择晶体管600。
在这里，一个选择晶体管可以由各种器件例如常规MOSFET结构形成。在这种情况下，隧道结光电探测器和选择晶体管可以使用常规MOSFET的制造工艺同时实现，简化了制造工艺，并节约了成本。
隧道结光电探测器100的漏极130接入电源电压(VDD)，源极120与选择晶体管600的漏极630连接。
尽管隧道结光电探测器100的源极120和漏极130是对称的，并且彼此相同，不过本申请文件的说明书和权利要求书将把漏极称为接入电源电压(VDD)或者外部电荷提供源的区域。
隧道结光电探测器100的光吸收部件150是以浮栅结构形成的，将光吸收部件150限制为允许光仅仅在栅极处入射。光吸收部件150在其上表面上未形成金属硅化物，因而可以通过光吸收部件150吸收光。也可以以浮动结构形成p型衬底(P-sub)，其对应于常见NMOS结构的主体。因此，隧道结光电探测器100通过源极120和漏极130与外部节点电连接。
在本实施方式中，选择晶体管600可由NMOS构成。选择晶体管600的漏极630与隧道结光电探测器100的源极120连接，源极620与单位像素输出端子(“l_output”)连接。可以通过栅极650提供用于控制选择晶体管600的开关的控制信号(“Sx”)。
此外，类似于隧道结光电探测器100，选择晶体管600的主体610可以以浮动结构形成。这是使隧道结光电探测器100的主体110浮动。在这种情况下，在进行开关操作的选择晶体管600的栅极控制下，可以通过提供稍微高于电源电压(VDD)的电压来保持其开关功能。
图8是根据本发明第一实施方式的由NMOS结构的隧道结光电探测器和选择晶体管构成的单位像素的剖视图。
如图8所示出的，隧道结光电探测器100和选择晶体管600都可以按照将相同P-sub作为主体的浮动结构来形成。在这种情况下，隧道结光电探测器100的源极120和选择晶体管600的漏极630可以在相同有源区域中形成，简化了结构，并且减小了单位像素的尺寸。
在下文中，将说明根据本发明第二实施方式的隧道结光电探测器。
图9是根据本发明另一实施方式的隧道结光电探测器200的透视图。如图9中所示，隧道结光电探测器200包括V形光吸收部件250。光吸收部件250是在形成在p型衬底210上的V形凹槽上方形成的，可以在光吸收部件250和V形凹槽之间形成薄氧化物膜240。氧化物膜240被形成得充分薄，从而可以容易地发生隧穿现象。例如，氧化物膜240可以以10nm或者以下的厚度来形成。光吸收部件250可以是掺杂有n型杂质的多晶硅。
类似于第一实施方式，光吸收部件250不在其上表面上形成金属硅化物层，而是以浮动多晶硅结构形成，并且光吸收部件250用作吸收光的区域。
可以通过蚀刻p型衬底210来形成V形凹槽。在这里，p型衬底210可以是晶体结构为{100}的硅衬底。所述蚀刻工艺可以是各向异性刻蚀。{100}型硅衬底的蚀刻工艺是已知的现有技术，因而不再详述。
可以在与V形凹槽的两个斜坡相邻的各区域中形成源极220和漏极230。可以通过在p型衬底210的各位置中注入高浓度n型杂质来形成源极220和漏极230。所形成的源极220和漏极230可以被V形凹槽分隔开。
在源极220和漏极230上方形成金属接触部221、231，金属接触部221、231分别与外部节点相连接。源极220的金属接触部221经由金属线222与外部连接，类似地，漏极230的金属接触部231经由金属线232与外部相连接。
在光电探测器200的除了光吸收部件250的上表面之外的上部上，形成有阻光层280。阻光层280阻止光被吸收到除了光吸收部件250之外的区域中。可以在阻光层280上方形成微透镜270，以对入射到隧道结光电探测器200的光进行会聚，并将入射光引导到光吸收部件250。
参见图10，通过微透镜270会聚的光沿着光入射路径入射到光吸收部件250，所述入射路径通过多层阴影部233而具有预定斜率。阴影部233可以是被布置用于信号传送和器件控制的金属线。按照布局工艺来设计多层金属线的布置，以提供具有预定斜率的入射路径。可以在多层阴影部233之间形成钝化层283。
在这种情况下，与图6相比，由于图10中所示的隧道结光电探测器250的光吸收部件250是以V形形成的，因而经由微透镜270以预定角度入射的光将更有效地会聚到光吸收部件250。
此外，如图11所示出的，与第一实施方式的平坦型光吸收部件相比，V形光吸收部件250可以重新吸收被光吸收部件250的表面反射的光，改善了光吸收效率。
通过入射到光吸收部件250的光，在光吸收部件250内产生了电子-空穴对。然后，通过将外部电压提供到漏极230，在邻近于漏极230的区域中积累所产生的电子-空穴对的电子。在这里，如果在漏极230和光吸收部件250之间的氧化物膜240中发生了隧穿，则在光吸收部件150的边界区域中积累的电子能够通过隧穿效应而朝着源极120或者漏极130移动。因此，光吸收部件250的空穴的电荷数量相对增加了与由于隧穿效应损失的电子数量一样多的量，而且在电场集中的V形凹槽边缘附近形成沟道260。
图12示出根据本发明另一实施方式的具有V形光吸收部件的隧道结光电探测器。在图12中，以PMOS型形成隧道结光电探测器300。通过在与{100}型硅衬底中所形成的V形凹槽的两个斜坡相邻的区域中注入高浓度p型杂质，形成源极320和漏极330。在p型衬底310中所形成的N阱315中，形成源极320和漏极330。
在下文中，将说明根据本发明第三实施方式的隧道结光电探测器。图13是根据本发明第三实施方式的隧道结光电探测器400的透视图。如图13所示出的，隧道结光电探测器400包括U形光吸收部件450。U形光吸收部件450在形成在p型衬底410上的U形凹槽上方形成。用于形成U形凹槽的工艺与V形凹槽的形成工艺相同(在本文也可以将U形凹槽的两侧称为斜坡)，但是可以在形成完整V形之前停止蚀刻，从而形成下表面未被蚀刻的U形。可以在U形凹槽的下部区域中在所述源极和漏极之间插入沟道。
图14示出根据本发明再一实施方式的具有U形光吸收部件的隧道结光电探测器。在图14中，以PMOS型形成隧道结光电探测器500。通过在与{100}型硅衬底中所形成的U形凹槽的两个斜坡相邻的区域中注入高浓度p型杂质，形成源极520和漏极530。可以在p型衬底510中所形成的N阱515中，形成源极520和漏极530。
至此，已经通过上述实施方式说明了具有本发明技术特征的图像传感器的单位像素以及单位像素的隧道结光电探测器。
通过上述结构，本发明的单位像素可以提供比常规光电二极管高出成百甚至上万倍的光电流。这是因为，与其中仅仅通过静电容量中累积的电荷量来区分对比度的常规光电二极管不同，本发明由于浮栅的电荷量变化所产生的电场作用而控制源极-漏极沟道的电流流动，同时由于通过漏极无限地提供电荷而产生自放大效果。
与常规CIS不同，在上述实施方式中描述的单位像素和隧道结光电探测器可以以PPS型实现，不需要在单位像素内具有单独的放大器件。
此外，通过上述结构，可以实现高灵敏度/高速度图像传感器。
由于与具有上述构造的图像传感器的像素内的光电探测器的输出电流相比几乎没有或者完全没有寄生电容，因而不需要任何集成动作，直到通过行解码器选定像素为止。因此，可以通过以修改后的卷帘快门方法多重处理信号，开发高速度帧图像传感器。
由于单位像素具有非常简单的结构，而且不大，因而可以类似于全局快门方法，通过在单位像素内形成电容器来实现500-10000fps的图像，同时地在模拟存储器中存储数据以及高速读取数据。
上述描述仅仅是为了举例说明的目的，应当将其理解为，本发明所属技术领域的任何普通技术人员都可以在不脱离本发明技术构思和本质特征的情况下对本发明进行修改。如此处所使用的，术语“方面”可以与术语“实施方式”交换使用。
因此，应理解的是，上述实施方式是例示性的，而不是限制性的。例如，被描述为组合的任何元件可以分离地实现，类似地，被描述为分离的任何元件也可以通过组合实现。
本发明的范围不应当由上述描述来限定，而应当由所附的权利要求书来限定，并且应当理解的是，可以根据权利要求的含义、范围和等效物设计的所有可能的排列或修改方式都包括在本发明的范围内。
Claims (20)
1.一种光电探测器，被配置为在用于将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素中吸收光，所述光电探测器包括：
衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的V形凹槽；
在所述V形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；
在所述光吸收部件与所述V形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；
在所述V形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；
在所述V形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及
沿着所述V形凹槽在所述源极和漏极之间插入的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动，
其中，所述光吸收部件掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质，
其中，所述光吸收部件通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘，
其中，通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其中所述衬底是{100}型硅衬底，所述V形凹槽通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其中通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度（W）和长度（L）之比。
4.根据权利要求1所述的光电探测器，其中所述源极和漏极是通过在主体中掺杂第二类型杂质而形成的，所述主体是浮动的。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其中所述光电探测器的阈值电压由于在所述氧化物膜中发生的隧穿而变化。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，还包括在除了所述光吸收部件之外的表面上形成的阻光层，所述阻光层被配置为阻挡在除了所述光吸收部件之外的区域中透射光。
7.一种被配置为将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素，包括：
光电探测器，被配置为利用由入射光所引起的电荷量变化而使电流流动；以及
选择器件，被配置为将所述光电探测器产生的电流输出至单位像素输出端子，
其中，所述光电探测器包括：
衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的V形凹槽；
在所述V形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；
在所述光吸收部件与所述V形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；
在所述V形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；
在所述V形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及
沿着所述V形凹槽在所述源极和漏极之间插入的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动，
其中，所述选择器件包括：与所述光电探测器的源极连接的漏极；接入到所述单位像素输出端子的源极；和被配置为从外部接收控制信号的栅极，其中根据所述控制信号执行开关操作，
其中，所述光吸收部件掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质，
其中，所述光吸收部件通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘，以及
其中，通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
8.根据权利要求7所述的单位像素，其中所述衬底是{100}型硅衬底，所述V形凹槽通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
9.根据权利要求7所述的单位像素，其中所述光电探测器的源极和所述选择器件的漏极形成在相同的有源区域中。
10.根据权利要求7所述的单位像素，其中通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度（W）和长度（L）之比。
11.一种光电探测器，被配置为在用于将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素中吸收光，所述光电探测器包括：
衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的U形凹槽；
在所述U形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；
在所述光吸收部件与所述U形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；
在所述U形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；
在所述U形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及
在所述U形凹槽的下部区域中插入在所述源极和漏极之间的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动，
其中，所述光吸收部件掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质，
其中，所述光吸收部件通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘，
其中，通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
12.根据权利要求11所述的光电探测器，其中所述衬底是{100}型硅衬底，所述U形凹槽通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上，所述U形凹槽包含具有预定深度的斜坡。
13.根据权利要求11所述的光电探测器，其中通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度（W）和长度（L）之比。
14.根据权利要求11所述的光电探测器，其中所述源极和漏极是通过在主体中掺杂第二类型杂质而形成的，所述主体是浮动的。
15.根据权利要求11所述的光电探测器，其中所述光电探测器的阈值电压由于在所述氧化物膜中发生的隧穿而变化。
16.根据权利要求11所述的光电探测器，还包括在除了所述光吸收部件之外的表面上形成的阻光层，所述阻光层被配置为阻挡在除了所述光吸收部件之外的区域中透射光。
17.一种被配置为将吸收的光变换为电信号的图像传感器的单位像素，包括：
光电探测器，被配置为利用由入射光所引起的电荷量变化而使电流流动；以及
选择器件，被配置为将所述光电探测器产生的电流输出至单位像素输出端子，
其中，所述光电探测器包括：
衬底，在所述衬底中形成具有预定角度的U形凹槽；
在所述U形凹槽上方以浮动结构形成的光吸收部件，光入射到所述光吸收部件；
在所述光吸收部件与所述U形凹槽之间形成的氧化物膜，在所述氧化物膜中发生隧穿；
在所述U形凹槽的一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的源极，所述源极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；
在所述U形凹槽的另一侧斜坡上与所述氧化物膜邻近地形成的漏极，所述漏极通过所述氧化物膜而与所述光吸收部件分隔开；以及
在所述U形凹槽的下部区域中插入在所述源极和漏极之间的沟道，被配置为在所述源极和漏极之间形成电流流动，
其中，所述选择器件包括：与所述光电探测器的源极连接的漏极；接入到所述单位像素输出端子的源极；和被配置为从外部接收控制信号的栅极，其中根据所述控制信号执行开关操作，
其中，所述光吸收部件掺杂有第一类型杂质，所述源极和漏极掺杂有第二类型杂质，
其中，所述光吸收部件通过所述氧化物膜而与所述源极和漏极绝缘，以及
其中，通过入射到所述光吸收部件的光而在所述光吸收部件中产生电子-空穴对，通过集中在所述氧化物膜中的电场而在所述源极和漏极的至少之一与所述光吸收部件之间发生隧穿，所述电子-空穴对中的电子通过所述隧穿从所述光吸收部件朝向所述源极和漏极的至少之一移动，并且通过由电子的移动引起的所述光吸收部件的电荷量变化来控制所述沟道的电流的流动。
18.根据权利要求17所述的单位像素，其中所述光电探测器的源极和所述选择器件的漏极形成在相同的有源区域中。
19.根据权利要求17所述的单位像素，其中所述衬底是{100}型硅衬底，所述U形凹槽通过各向异性刻蚀形成在所述衬底上。
20.根据权利要求17所述的单位像素，其中通过调节W/L比率而以紧接在夹断之前的状态来形成所述沟道，所述W/L比率是所述沟道的宽度（W）和长度（L）之比。
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