CN104900667A - 一种基于复合介质栅mosfet的多模态双晶体管光敏探测器 - Google Patents
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Abstract
基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器，所述MOS电容感光晶体管作为光敏单元；所述MOSFET读取晶体管和与此MOSFET读取晶体管相邻的所述MOS电容感光晶体管组成基本包括多列MOS电容组成的感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管组成的阵列，其中：由多列在同一个P型衬底上形成的一个MOS电容感光晶体管和一个MOSFET读取晶体管的双晶体管组成的基本像素单元紧密排列组成；所述MOS电容感光晶体管有多列不同形态的感光晶体管和读取晶体管通过多种形态的布局可以充分利用像素空间，提高感光晶体管的面积，提高像素占空比从而提高双晶体管光敏探测器的灵敏度、信噪比和动态范围。
Description
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的阵列结构、工作机制，是一种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器阵列。特别涉及一种可以减少单个像元晶体管数目，提高光采集效率的高灵敏度固态图像传感器。
背景技术
近年来，随着技术的进步，用于捕捉图像和视频的图像传感器取得了长足的发展。现在广泛运用的固态成像器件主要有两类：电荷耦合器件(CCD)和CMOS-APS成像器件。虽然CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，但却有着成本高、集成度小、功耗大且需要多种电源的缺点；而CMOS传感器则具有低成本、低功耗以及高整合度的优点，但也存在灵敏度不高和噪声较大的问题。同时随着对像素数目提升的需求越来越大，单个像素变得越来越小，也就带来了灵敏度下降，动态范围低的问题。
鉴于CCD传感器难以进一步缩小像素尺寸，而CMOS传感器暗电流噪声高并且每个像素都包含了一个光敏二极管和三个以上的晶体管，导致占空比较小。为了解决高集成度下的这些问题，结合以上两种传感器的优点，本申请人于申请公布号为CN102938409 A的专利中提出了一种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器及其信号读取办法。为了进一步提高双晶体管光敏探测器的灵敏度和动态范围等性能，提出本发明。
发明内容
本发明的目的是：基于复合介质栅MOSFET双晶体管光敏探测器，提供一种多模态感光晶体管光敏探测器，尤其是光敏探测器阵列，以提高探测器灵敏度、占空比和光的采集效率。
本发明的技术方案是：一种基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器，其特征是：包括MOS电容(组成的)感光晶体管和MOSFET读取晶体管组成，其中：
所述MOS电容感光晶体管作为光敏单元，即进行光电转换的一个基本单元；所述MOSFET读取晶体管和与此MOSFET读取晶体管相邻的所述MOS电容感光晶体管组成基本成像单元。
所述基本成像单元的器件结构和工作机理采用本申请人于申请公布号为CN102938409 A的专利中提出的一种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器。
所述基本成像单元的特征是，利用两个晶体管分别实现感光和读取功能即感光晶体管和读取晶体管：两个晶体管都是形成在复合介质栅MOSFET基底P型半导体材料(1)上方，两个晶体管通过浅槽STI隔离(6)隔开，基底P型半导体材料正上方分别设有底层和顶层两层绝缘介质材料和控制栅极(2)，两层绝缘介质材料之间设有光电子存储层(4)，读取晶体管设有源漏极用于读取信号，而感光晶体管则没有源漏。两个晶体管之间通过光电子存储层电信号相连，使得读取晶体管能够读到感光晶体管通过感光存储到光电子存储层的光电子。
一种基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器阵列，其特征是：包括多列MOS电容(组成的)感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管组成的阵列，其中：
所述多列MOS电容感光晶体管中的每一个MOS电容感光晶体管作为光敏单元，进行光电转换并被放置在每一个基本像素单元当中；所述多列MOSFET读取晶体管中的每一个MOSFET读取晶体管和与此读取晶体管相邻的所述MOS电容感光晶体管组成基本成像单元，多列MOS电容感光晶体管与多列MOSFET读取晶体管构成光敏探测器(传感器)阵列。由多列MOS电容感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管紧密交叉排列组成。
所述多列MOS电容感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管采用不同的架构。探测器MOS电容感光晶体管采用闪存的NAND架构，可以有效的防止感光晶体管之间相互干扰，而MOSFET读取晶体管则采用闪存的NOR架构，方便读取晶体管的选择。
所述多列MOS电容感光晶体管可以具有多种形态，相较于传统的方形感光晶体管，在相同面积下，正六边形和正八边形的MOS电容感光晶体管具有更大的像素填充率。
所述正六边形和正八边形的MOS电容感光晶体管可以与MOSFET读取晶体管紧密排列成不同的形态，并通过多列MOS电容感光晶体管共用一列MOSFET读取晶体管的布局方式，大大提高像素的占空比。
正六边形的MOS电容感光晶体管排列成一条直线，而MOSFET读取晶体管列排成与所述直线连续的120度等腰钝角三角形的折线；每个MOSFET读取晶体管对应一段折线。
MOSFET读取晶体管列按正八边形的连续二段折线正反方向排列，成为连续的成直线的正反开口的梯形，每个MOSFET读取晶体管对应一段折线；相同尺寸的正八边形的MOS电容感光晶体管充填满正反开口梯形的两侧，每侧有两列成直线状且互相交错的正八边形的MOS电容感光晶体管。
基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器，其电子收集、储存，感光方法，信号读取方法以及复位等工作方式同CN102938409 A专利中提出的一种基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器的信号读取方法。
本发明的有益效果是：所述的基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管高灵敏度光敏探测器，通过改变感光晶体管的形态，可以充分利用空余的空间用来增加感光晶体管的面积，使像素空间效率显著提高，密度达到最大，提高了占空比和光的采集效率，有效地提高了光敏探测器的灵敏度、信噪比和动态范围。
附图说明
图1双晶体管光敏探测器垂直于沟道方向即栅宽方向结构示意图；
图2方形(矩形)感光晶体管排列结构示意图；
图3方形感光晶体管另一种排列结构示意图；
图4正六边形感光晶体管排列结构示意图；
图5正六边形感光晶体管另一种排列结构示意图；
图6正八边形感光晶体管排列结构示意图；
图7正八边形感光晶体管另一种排列结构示意图；
图8正八边形感光晶体管另一种排列结构示意图；
具体实施方式
实施例1：基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器阵列，其特征是包括多个基本像素单元(如图1所示)组成的像素阵列。所述基本像素单元由一个MOS电容感光晶体管和一个MOSFET读取晶体管两个晶体管组成。
所述基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器阵列由多列MOS电容感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管紧密排列组成。
实施例2：根据实施例1所述的一种多模态感光晶体管光敏探测器阵列，其特征多列MOS电容感光晶体管布局为如图2所示的正方形感光晶体管排布，正方形感光晶体管每一列横向对齐，如图中虚线方框中所示的感光晶体管101与其相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元；或为如图4所示的正六边形感光晶体管排布，正六边形第N列与第N+2列横向对齐，第N+1列的正六边形感光晶体管位于第N列与第N+2列相邻四个感光晶体管的几何中心，如图中虚线方框中所示的每一个正六边形感光晶体管101与其相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元；或为图6所示的正八边形排布，正八边形感光晶体管第N列与第N+2列横向对齐，第N+1列的正八边形感光晶体管位于第N列与第N+2列相邻四个感光晶体管的几何中心，如图中虚线方框中所示的每一个八边形感光晶体管101与其相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元。
实施例3：根据实施例1所述的一种多模态双晶体管光敏探测器，其特征是多列MOS电容感光晶体管101布局为正方形排布，正方形(或矩形)感光晶体管以及多列读取晶体管102排布如图3所示。每两列正方形感光晶体管背靠背设置并共用中间的一列读取晶体管，如图3中双向箭头所指的两端每个感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元，虚线框中两个基本像素单元为重复单元。较图2所示的方形布局更为紧密。
实施例4：根据实施例1所述的一种多模态双晶体管光敏探测器，其特征是多列MOS电容感光晶体管布局为正六边形排布，正六边形感光晶体管以及多列读取晶体管排布如图5所示。每两列正六边形感光晶体管共用中间的一列读取晶体管，如图中双向箭头所指的两端每个感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元，虚线框中两个基本像素单元为重复单元。较图4所示的六边形布局更为紧密。
所述多列MOS电容感光晶体管布局为正六边形感光晶体管排布，所述正六边形感光晶体管按照第N列与第N+2列横向对齐，第N+1列的正六边形感光晶体管位于第N列与第N+2列相邻四个感光晶体管的几何中心的结构分布。
所述正六边形感光晶体管布局中，每两列正六边形感光晶体管共用中间的一列读取晶体管，每个正六边形感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元。
实施例5：根据实施例1所述的一种多模态双晶体管光敏探测器，其特征是多列MOS电容感光晶体管布局为正八边形排布，正八边形感光晶体管以及多列读取晶体管排布如图7所示。每两列正八边形感光晶体管共用一列读取晶体管，如图中虚线方框中每个正八边形感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元，两个虚线框中的基本像素单元为重复单元。较图6所示的正八边形布局更为紧密。
所述多列MOS电容感光晶体管布局为正八边形感光晶体管排布，所述正八边形感光晶体管按照第N列与第N+2列横向对齐，第N+1列的正八边形感光晶体管位于第N列与第N+2列相邻四个感光晶体管的几何中心的结构分布。
所述正八边形感光晶体管布局中，每两列正八边形感光晶体管共用中间的一列读取晶体管，每个正八边形感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元。
实施例6：根据实施例1所述的一种多模态双晶体管光敏探测器，其特征是多列MOS电容感光晶体管布局为正八边形排布，正八边形感光晶体管以及多列读取晶体管排布如图8所示。每四列正八边形感光晶体管共用中间的一列读取晶体管，如图中双向箭头所指的两端每个正八边形感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元，虚线方框中的四个基本像素单元为重复单元。较图7所示的正八边形布局更为紧密。
所述多列MOS电容感光晶体管布局为正八边形感光晶体管排布，所述正八边形感光晶体管按照第N列与第N+2列横向对齐，第N+1列的正八边形感光晶体管位于第N列与第N+2列相邻四个感光晶体管的几何中心的结构分布。
所述正八边形感光晶体管布局中，每四列正八边形感光晶体管共用中间的一列读取晶体管，每个正八边形感光晶体管101和与之相邻的读取晶体管102为一个基本像素单元。
实施例3～实施例6的感光晶体管和读取晶体管排布方式较传统的方阵排布更加紧密，可以充分利用像素空间，提高感光晶体管的面积，提高占空比从而提高探测器件的灵敏度，信噪比和动态范围。
Claims (6)
1.一种基于复合介质栅MOSFET的多模态双晶体管光敏探测器，其特征是：包括MOS电容感光晶体管和MOSFET读取晶体管组成，其中：
所述MOS电容感光晶体管作为光敏单元，即进行光电转换的一个基本单元；所述MOSFET读取晶体管和与此MOSFET读取晶体管相邻的所述MOS电容感光晶体管组成基本成像单元；
所述基本成像单元利用两个晶体管分别实现感光和读取功能即感光晶体管和读取晶体管：两个晶体管都是形成在复合介质栅MOSFET基底P型半导体材料(1)上方，两个晶体管通过浅槽STI隔离(6)隔开，基底P型半导体材料正上方分别设有底层和顶层二层绝缘介质材料和控制栅极(2)，两层绝缘介质材料之间设有光电子存储层(4)，读取晶体管设有源漏极用于读取信号，而感光晶体管则没有源漏。两个晶体管之间通过光电子存储层电信号相连，使得读取晶体管能够读到感光晶体管通过感光存储到光电子存储层的光电子。
2.根据权利要求1所述的基于复合介质栅MOSFET的模态双晶体管光敏探测器构成的阵列，其特征是：包括多列MOS电容组成的感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管组成的阵列，其中：
所述多列MOS电容感光晶体管中的每一个MOS电容感光晶体管作为光敏单元，进行光电转换并被放置在每一个基本像素单元当中；所述多列MOSFET读取晶体管中的每一个MOSFET读取晶体管和与此读取晶体管相邻的所述MOS电容感光晶体管组成基本成像单元，多列MOS电容感光晶体管与多列MOSFET读取晶体管构成光敏探测器阵列；由多列MOS电容感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管紧密交叉排列组成。
3.根据权利要求2所述的阵列，其特征是：所述多列MOS电容感光晶体管和多列MOSFET读取晶体管采用不同的架构；探测器MOS电容感光晶体管采用闪存的NAND架构，而MOSFET读取晶体管则采用闪存的NOR架构。
4.根据权利要求2所述的阵列，其特征是：所述多列MOS电容感光晶体管为方形或矩形感光晶体管，正六边形或正八边形的MOS电容感光晶体管。
5.根据权利要求2所述的阵列，其特征是：正六边形的MOS电容感光晶体管排列成一条直线，而MOSFET读取晶体管列排成与所述直线连续的120度等腰钝角三角形的折线；每个MOSFET读取晶体管对应一段折线。
6.根据权利要求2所述的阵列，其特征是：MOSFET读取晶体管列按正八边形的连续二段折线正反方向排列，成为连续的成直线的正反开口的梯形，每个MOSFET读取晶体管对应一段折线；相同尺寸的正八边形的MOS电容感光晶体管充填满正反开口梯形的两侧，正反开口的梯形的每侧有两列成直线状且互相交错的正八边形的MOS电容感光晶体管。
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