CN1052974A

CN1052974A - 低电容大面积半导体光电检测器及光电检测系统

Info

Publication number: CN1052974A
Application number: CN90110074.9A
Authority: CN
Inventors: 戴尔·马里厄斯·布朗; 杰拉尔德·约翰·米雄
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-22
Publication date: 1991-07-10
Also published as: EP0435509A3; IL96623A0; JPH04127583A; EP0435509A2

Abstract

公开一种提供低输出电容的大检测面积光电检测器件，光电检测系统使用该器件可降低噪声。该器件包含：单一导电类型的半导体材料的基体，邻近主要表面设置的相反导电型的大检测区和邻近同一表面设置并与检测区间隔开的第二导电型的显著较小的输出区。由一控制栅极下面电位的绝缘栅把检测区耦合到输出区。偏置输出区以反向置偏基体区的 PN结，以同一极性的某一数值偏置栅极从而使沟道区保持在某一较小电位，使得浮动检测区处于比输出区小的电位，并与输出区容性去耦。

Description

本发明涉及半导体光电检测器和光电检测系统的领域，更准确地说，涉及用于精确测量光输入的这类系统。

半导体器件，特别是二极管，用于感测光的存在、并根据光的有无来操纵系统由来已久。在很多这类系统中，光电检测器起通/断执行元件作用而将其安装在电路中，即不企图也不能要求它提供对光输入的任何测量，而只是检测光输入是否超过控制电路开关的阈值电平。

其它系统中，需要测量入射在光电检测二极管上的光强。这样的一种系统是计算机X射线断层照相（CT）的扫描系统，它使用一种固态发光闪烁器把入射的X射线转换为发光的光线。在这种CT扫描系统中，多单元的x射线闪烁检测系统可包含1，000或更多的独立单元，每个单元包括一个分开的闪烁器块和一个把闪烁器的光输出转换为电信号的光敏二极管。这样的扫描系统包括一个门型架，在该门型架上测量区的一侧装X射线源而在测量区的另一侧与X射线射束对准地安装一X射线闪烁检测系统。这样的系统最好使用一种扇形X射线射束和可包含1，000或更多独立检测单元的闪烁X射线检测器。

为使数据收集精度最高，将闪烁检测系统的独立单元设置成彼此直接紧靠，从而借助X射线闪烁检测系统使从患都或其他被测物体收集的数据最多。各独立块的闪烁器材料一般在平行于X射线传播方向约3mm深，沿闪烁探测器阵列长度方向约为1mm宽，沿垂直于X射线扇形射束平面方向约30mm长。闪烁器块的大约3mm深度是按照该块的X射线抑制能力（stopping power）和要求在闪烁器块内抑制X射线的百分率而确定的。闪烁器块沿探测器阵列长度方向大约1mm的宽度是按照沿探测器阵列长度所要求的数据分辨率而确定的。闪烁器块沿垂直于X射线扇形射束平面方向大约30mm的长度是由X射线扇形射束稠密度结合测量区所要求的垂直稠密度确定的。当然，这些选择也涉及其它因素。

为了易于制造和组装，最好把很多光敏二要管集成在半导体材料的单个芯片或晶片中。于是就用这种芯片装配相应数量的闪烁器块以构成包含该数量闪烁探测单元的组件。在该组件中，半导体结构的图模（patterned）侧和其上电极面对闪烁器材料块使收集到发光的光为最大。相邻闪烁器单元的直接并排地布置要求将连接到独立二极管的输出邻近二极管窄端安置，以便电线、导体和其它光障碍可与二极管有效集光区隔断，从而使光收集、系统效率和单元对单元均匀性达到最大。

为产生一种计算机断层X射线摄影图象（computed tomographyimage），在接通X射线射束的同时使门型架（gantry）环绕测量区转动，并记录或存储来自闪烁检测系统的输出用于当时或接着的处理。在门型架每次转动期间连续取下数据。在取数据的每一位置，确定并存储每一检测单元的输出。

在这种系统中，对大量已记录下的数据（大约4×10⁵数据点）随后加以处理而产生在测量过程设置在测量区中的物体或患者的图象。

每个数据点包含取数据时检测单元的位置，以及在该时刻从与该单元关连光电二极管输出的振幅。所有这些输出振幅都用在技术上是已知的计算机断照相图象重建技术进行处理，从而产生在测量区中物体的图象。所产生图象的精度取决于将入射在闪烁体单元上X射线强度转换为电信号的精度，该电信号的振幅就是对X射线强度的测量。

因此，图象精度受限于闪烁X射线检测系统把X射线强度精确转换为电信号振幅的能力。为了使吞吐量为最大，使X射线曝光和对患者打扰为最小，已考虑最好尽可能迅速地实现数据收集扫描。为了在低强度X射线和高扫描速率情况下提供准确的图象生成，光检测系统准确地按线性方式跨越一个很宽的动态范围把入射发光光强转换为相应电信号振幅，所述动态范围既包括非常低又包括非常高的光强，最好将动态范围考虑为10⁴至10⁵或更大。

因为这种很宽的动态范围，以及要求能在很小的光产生电荷载流子速率下工作，在整个数据采集系统中须使噪声对信号的影响减至最低限度。

现通用电气公司（Present General Electric Company）的Zeus型CT扫描器使用一种固态陶瓷闪烁器把入射X射线强度转换为发光的光线。面积为3/4mmx30mm量级的区域上的PIN光敏二极管与闪烁器块光进行耦合，检测由此产生的发光的光线，并将该光线转换为一种输出电流，该输出电流的振幅和发光光强成线性关系，只要闪烁器提供一种X射线至发光光线的线性转换特性，因此，所述输出电流的振幅也和入射X射线强度成线性关系。接着，借助于用在光敏二极管上的运算放大器将这种输出电流再转换成一种输出电压。

许多设计上的考虑深入研究光电检测二极管及其运算放大器输出系统的设计。考虑到准确的图象生成，每一闪烁检测器单元必须提供基本上相同的X射线强度至电信号幅度的转换。所以，必须使连接到各个光电检测器二极管的运算放大器之间的偏移电压减至最小。这可通过使二极管牌零偏置（光导的）方式下运行而完成从而使偏移电压和热漂移减为最小。

这种大光导的二极管即具有相当于10微米的零偏置耗尽层深度（zero bias depletion depth），也有约300pf或约13pf/mm²的电容。如在运算放大器技术中已知的，运算放大器中的噪声直接与其输入节点的电容成正比。改进整个检测系统信噪比的一个方法是，通过减小光电检测器二极管的电容来减小运算放大器输入端的电容。光电检测器二极管的输出电容通过把二极管反向置偏100伏左右可减小到约30pf。然而，这会显著增大反偏置无照电流，并由于该电流中“散粒”（“shot”）噪声起伏而导致增大噪声。此外，运算放大器偏移电压将会很大。更进一步，这种大的反向偏压与起输出放大器作用的半导体运算放大器的输入要求不一致。因此，需要某些其它降低系统噪声的装置。

由于二极管的电容是与其面积成正比的，故而缩小二极管可降低系统电噪声。然而，因为闪烁块的尺寸受x射线抑制能力、波束图案和所需要系统的分辨率要求的支配，所以需要一个光学系统把闪烁器光线集中在足以显著改进噪声性能那么小的二极管上。由于这种降噪装置是可行的，会使该光学系统本身整个系统性能下降太多。

在本技术领域已知有种类繁多的光电检测器焦面阵。这些阵包括：电荷耦合器件（CCD），电荷注入器件（CID）和类似的多单元乘多单元检测器阵。这样的成象器为了便于图象的高清晰度传导，通常用尽可能小的象素或单元尺寸构成。这种焦面阵用于检测和转换聚焦于探测器阵列上的图象。象这样，可以帧频来读出它们，该帧频与待测图象中呈现的信息速率和可由专用系统吸收有意义数据的频率相一致。CCD成象器使用表面电位在均匀半导体结构的连续区内形成隔离的检测器位阱或单元。CCD系统按计时方式运转，其中：（1）通过存储光电检测阵独立位阱内光产生的电荷而将图象集成一个时间周期，（2）然后迅速读出该集成的图象并开始另一图象的集成。为了控制电荷传递通过CCD成象器结构，必须把透明绝缘栅电极设置在CCD结构之上，以便在集成期间在半导体结构的各个不同区段上施加合适的电势而构成隔离的势阱，并在该过程读出部分期间使合成电荷束传递通过所述结构。

因为图象不是被检测出来的而且每一闪烁检测单元必须具有很大的集光面积，所以CCD成象器作为CT扫描系统中的发光的光线传感器是不实用的。由于该CCD结构为高清晰度，实时和无需图象转换而设计，因此，这种大面积的CCD会增加系统不必要的复杂性和费用而没有任何相应的好处。此外，在每一单元需要大尺寸（大约3x0.1cm）情况下CCD的效率将很低，这会导致过高的成本。

据此，本发明的首要目的是提供一种面积非常大、低电容适用于光电检测系统的半导体光电检测器。

本发明的另一目的是提供具有简单、方便并可廉价加以制造的结构的这样一种器件。

本发明的另一目的是提供对测量光电探测系统进行运算以产生严格线性和最小噪声、以便在CT扫描系统中形成最高图象清晰度的器件。

本发明的另一目的是提供一种其输出电容基本上与其光电探测面积尺寸无关的半导体光电检测器。

本发明的另一目的是提供一种具有与集光区容性去耦的输出的类二极管的光电检测器。

本发明的上述和其他目的，通过下面包括附图的一个完整体的详细说明会变得更加明确。按照本发明实施的光电检测装置具有一种导电类型的基体区和独立间隔开的检测器，以及设置于其中具有相反导电类型并与其形成独立PN结的输出区。所述基区和检测区有与其进行电阻性接触的独立电极。检测器和输出区通过隔离的栅电极容性去耦，该栅电极控制延展在检测器与输出区之间的沟道区中的电势。运行时，该装置与输出/基体PN结以比较高的反偏压进行偏置，与检测区以反偏置检测器/基体PN结的电位浮动偏置。由加到栅电极上的偏压控制浮动检测区的电位。该装置最好在固定栅压情况下运行以便形成一种连续的电流输出。

只要在检测器和输出区之间保持电位差，该装置的输出电容便受控于输出区的尺寸和结构及其与栅电极的重叠部分，而与探测区的尺寸无关。

高度线性、最小噪声的数据采集系统归因于输出区的低电容。没有在探测器区上设置栅电极使量子效率最大。

按照本发明的另一实施例，绝缘栅极被制成一种电阻性栅极，它在沟通区产生一电位梯度以使电荷载流子从检测区移动到输出区。这最好通过采用电阻性材料的栅极以及通过在沟道区两端设置与其处于电阻性接触，与栅极长度方向平行的高导电率导体来加以实现。两根导体保持不同的电位，以形成平行于沟道长度的电位梯度从而增强载流子的传送。

按照本发明的再一种实施例，省略了在检测区中相反导电型的掺杂，并设置电阻性栅结构跨越整个集光区。该电阻性栅极一直延伸到输出区。再次将高导电率电极设置成与该电阻栅层在其“沟道长度”的相对端电阻性接触，从而感生出有助于将所有收集到的电荷从它们的收集位置传送到用于读出的输出区的电位梯度。这后一种实施例以低于开始所述实施例的光载流子生成率，提供线性的光输入信号出转换特性。

本发明的主题在说明书的最后部分特别指出并清楚地阐述。无论如何，本发明既作为构造又作为实用方法，与另外的目的和优点，通过参照下面结合附图的说明可以得到最佳的理解，附图中：

图1以示意形式说明实施本发明的使用计算机x射线断层扫描机的一部分，

图2是按照本发明的半导体光敏器件的示意性透视例图，

图3是沿图2中线3-3所取的图2结构的剖面图，

图4A-4C是与图3对准，并说明在不同偏压情况下图3结构中的电位，

图5-8说明用于图2结构的备择平面图，

图9、12和15说明备择的器件结构图，以及

图10、11;13、14以及16和17分别说明在图9、12和15器件中的结构和电位图。

图1中示意性地举例说明一种计算机断层X射线照相术（CT）的扫描装置400。该CT扫描装置400包含一个圆筒形外壳410，待持描或待测试的患者或物体置于该外壳中。门型架和环绕该圆筒410，并使其成形为与圆筒轴同心地环绕圆筒旋转。该门型架412可以预定转动一整圈，然后返回，或可以预定连续转动。这取决于用来把门型架上电子设备连接到装置其余部分的系统。门型架上的电子设备包括一个X射线源414，该源产生一种扇形X射线射束，该射束包围一个安装在圆筒410的相对侧门形架上的闪烁检测系统416。在由X射线源和闪烁探测系统416限定的平面中配置X射线源的扇形图案。该闪烁检测系统416在垂直于x射线扇形射束的平面的方向非常窄或薄。闪烁检测系统416的每一单元418结合一闪烁材料的固态透明条和光耦合到该闪烁条上的光电检测二极管。将来自每一光电检测二极管的输出连接到一运算放大器。可用各软线420或用其它电子设备把来自每一运算放大器的输出连接到计算机X射线断层扫描装置的主控制系统450上。在图示实施例中，用电缆430把X射线源的电源和来自闪烁检测器的信号传送到主控系统450。用电缆430一般限制门型架在返回其初始位置之前旋转一周。另一方面，若需要门型架连续转动的场合，则可用滑环或光或无线电传输把门型架电子设备连接到主控系统450。在这种类型的CT扫描系统中，使用闪烁材料把入射的X射线转换为发光的光线，由光电检测器二极管探测该发光的光线，并由此转换成电信号，作为把入射X射线转换成可将其作图象提取处理和基它用途的电信号的方法。

图2中，以透视剖面图形式示出按照本发明的器件10的一部分。器件10包含一半导体材料的基体12，所述基体包括：一个N型基体区20，一个P+检测区22，一个输出P+区26和一个绝缘栅极34，所述P+检测区22延伸进入基体区20之内并与该区形成第一PN结21，所述输出P+区26延伸进入基体区20之内并与其形成第二PN结25，绝缘栅极则设置在基体区上处于其检测区与输出区之间。检测区22和输出区26在图中沿X方面由基体区20的沟道部分24加以隔开。基体区电极30与基体区20的背面按电阻性接触进行配置，并基本在半导体基体12的整个背面之上延伸。输出区电极36与输出区26按电阻性接触进行配置，并沿其长度延伸以便在输出区26内使输出电阻减为最小。由绝缘层33和导电层35组成的绝缘栅极34，设置在半导体基体12的上表面上，并从贴近检测器或检测区22之上延伸到贴近输出区26或在输出区26之上，以控制基体区20沟道区部分24在它们之间的电位和导电率。导电层35可以是高掺杂多晶硅、硅化物或其它高导电率材料的金属。导电层35的用途是把基本上均匀的电位强加给整个沟道区。运行时，将偏压和输出电路50连接到基体区电极30、输出区电极36和栅电极34。偏压和输出电路50包括一个分别具有不反相和反相输出端53和54的运算放大器52，一个输出端55和一个反馈或积分电容器56。将运算放大器的反相输入端54连接到该器件的输出电极36。而将运算放大器的不反相输入端53连接到具有负的输出电压V_D的电压源上。该电压源的接地端连接到基体区电极30上。栅极34经由一个也提供负的输出电压V_G的第二电压源接地。对最佳操作模式该器件和偏压/输出电路的正确操作来说，V_G的幅度小于V_D的幅度。

图3是用于对以下有待述及的图4A-4C提供定向和对准、沿图2剖线3-3的剖面图。图3中，器件10的检测区22和输出区26两者都呈现为具有垂直侧边的矩形，栅极34搭接在这两个区之上。从图3延伸到图4A-4C的虚线用于使图4例图重叠与图3结构对齐。

图4A中，将负偏压V_D加到输出区电极36上。结果，输出区26中电位基本上低于大地，并构成在图4A中用标号46标志的位阱。于是，使PN结25反向置偏。图4A中，栅极34保持在大地电位或相对于大地为正电位。因此，基体区20的沟道区24中电位如标号44所示处于或高于地电位。由于在图1和2的结构10中，没有与检测器区22的电阻连接，所以在图4中未确定检测区22的电位，该区的电位是浮动的。如图4A中用虚线42所示，检测区中电位可低于大地。

图4B中，示出在改变（最佳操作）偏压情况下图3结构的电位。加到输出电极36的偏压仍为-V_D，结果输出区中位阱46′就有如图4A中位阱相同的深度。然而，对于图4B例图来说，使栅极34偏置于大地和电压V_D之间的某一负电压。因此，基体区20的沟道区部分24中的电位如标号44′所示低于大地。在这些偏压条件下，使检测区22的电位保持在不大于如标号42′所示沟道区中的电位。因为任何高于44′电位的电荷载流子将通过沟道区24扩散到输出区26。可把电位44′称为“夹层电位”（“Shelf Pltential”），因为该电位把光电荷累积积区中的电位控制在该“夹层电位”。输出区较低的电位46′制止从输出区中扩散到沟道和检测区。这样，在检测区中的电位将与电位44′处于相同电平。因此，PN结为反向置。因为PN结21上的反偏压，在基体区20邻近区22中任何光致正电荷载流子（空穴）将被吸引跨过PN结21而进入检测器区22。这样的电荷将有助于使区22的电位升高到电平44′以上。在那些条件下，使收集到的电荷作为扩散电流流过沟道区。因为在输出区较低的电位46′导致空穴的一条移动路径是，在栅极下面从检测区进入输出区，而不是从输出区进入检测区。在输出区收集的这些空穴以众所周知的方式作为电子流流进输出电路，在检测区22上的入射光强越大，在栅极下面流进输出区具有合成增长电流的产生的光致空穴电子对也越稠密。因此，运算放大器52的输出与入射检测区的光强成正比。因为在输出区中的位阱46′比检测区中的位阱42′深，故而检测区位阱42′得以容性地从输出区位阱46′去耦。也就是说，由于（1）空穴不能从输出区26流进沟道区24或检测区22，以及（2）流进输出区的空穴与该区的电位无关（只要在两种情况下输出区电位低于沟道区电位），在输出区中电位变化只影响输出区本身电荷存储。结果，只有输出位阱46′对光电检测器件的输出电容有影响。因此，栅极34协同光电荷累积区的结构和输出区起电容去耦器的作用，而在这些运行情况下该器件的输出电容基本上与光电检测区22的尺寸无关。这样，就实现了提供一种光电探测器件其输出电容基本上与集光面积无关的目的。

图4C中，示出更进一步改变偏压条件时在该器件中的电位情况，该情况在运行该器件的最佳方法中并不认为是合乎要求的。在图4C例图中，加到栅极34上的电位比加到输出电极36上的电位负得更多。结果，栅极下面的位阱44″比漏极下面的位阱更深，并将回落到输出区的电位电平。结果，使检测区位阱42′直接连接到漏区位阱46″，从而在这两个位阱之间没有容性去耦，该器件的输出电容是输出、沟道和检测区总面积的产物。这种操作模式对要求或需要低输出电容的场合并非是最佳的。

对于高入射光强来说，产生许多光致空穴，且流在栅极下面的电流基本处于图4B偏压状态。在该情况下，运算放大器52的输出是入射光强的线性函数。随着入射光强减弱，流经沟道区的电流随之减小。在某一充分低的入射光强条件下，流进沟道区的电流是如此小，以致沟道处于绝缘栅（MOSFET）导电特性的次阈值区中。在该区中，电荷载流子的沟道迁移率非常低，使电荷从集光区经由沟道移动到输出节点所需要的时间变得非常长。因此，对于很短测量间隔来说，因为在延伸面积二极管区中产生的电荷不能足够迅速地传送到输出节点，使该器件变成非线性的。在这种器件中保持线性的光强随着基体区20的电阻率级增大而减弱。因此，基体区的电阻率是设计因数之一，在该器件中开始出现非线性时，可调整该因数以降低光级。通过增大电流级以使“提高”次阈区值以外的沟道特性可减轻次阈值操作问题。有时称这为使用“储备”（“fat”）零条件，并可通过用一稳定偏置光强照射集光区或通过增大器件温度以增大其无照电流来达到。然而，这两种解决办法都会增大噪声。对使用这种类型器件的许多系统来说，很小的非线性效应（百万分之几级）或增大噪声不会成为问题。但是，在CT扫描系统要求最大图象清晰度、最小噪声和最大线性的场合，输出与入射光强的关系曲线引起的非线性，对于低能级入射光说来，就可能成为系统操作的一种限制因数。

器件10的结构是容易制造的，并应当可以高效率来制作，因为它主要是集成于单一晶片的两个二极管，在其上设置一单绝缘栅极。可将该器件制造成具有某一合理的可确保高效率制造的沟道长度。沟道长度在从2微米到20微米范围内是可接受的。一般认为沟道长度越长，光强也越强，这时随着光强减弱在运算放大器输出中出现非线性是显而易见的。

若需要，运算放大器52可与光电检测器件集成在同一晶片上。另外，如前已述及的，在象CT扫描系统那样的装置中，把这些各自不同闪烁单元的光电检测器件集成于单一半导体晶片上，以简化整个闪烁检测系统的制作及封装。

图5-8以平面图形式说明器件10的备择结构。图5中，示出的器件10具有如检测区22相同Y向延伸的输出区26和沟道区24。

图6中，器件10′有一个输出区26′和一个沟道区24′，两个区的Y向都小于检测区22。这种结构具有对于小光强增大流经沟道区电流的优点。这降低了非线性达到任何给定级的光强阈值。

图7中，通过形成围绕检测区22的一个输出区26″来改动器件10″。沟道区24″是从检测区22延伸到输出区26″类似的矩形环状通路。这种结构减小沟道区的电流密度，并合乎准备用于高光强的系统的需要，但对用于低光强的系统则有以下缺点，即增大了运算放大器开始出现非线性光强的阈值电平。

图8平面图中示出另一种备择的结构10^☆。图8的结构除了在该器件结构的左侧增加第二输出区26^☆、第二输出电极36^☆和具有对应沟道24^☆的第二栅极34^☆之外，与图5的结构相类似。这种结构在实际把检测区22的X向长短比作探测区22中空穴扩散长度的场合，被认为是合乎需要的。

尽管在原理上，确定并使用对低光强输出的非线性进行校正的输出强度校正表是可能的，但是那样做增加了系统复杂性，并不是一种最佳的解决办法。通过在栅极下面形成某一电位梯度可基本上降低上述出现非线性时的光强级，所述电位梯度从探测区朝输出区以如下方式倾斜，即要为流过沟道区的载流子提供某一电位梯度感生的漂移速度。在输出电位为-5伏的场合，从栅极的左侧至栅极右侧只有2伏的电位差，可减弱出现过量非线性的光强。

由图9中以110总体示出的本发明的另一种实施例提供这种电位梯度。在该实施例中，与其如图2所示，把一种均匀高导电层35用作栅极34的导电部分，还不如在器件110中装入一电阻层135R作为栅极的导电部分。该电阻层可以是多晶硅，通过对其适当地掺杂质以产生所要求的电阻率。该多晶硅层的作用是将某一电位梯度加到横过光电荷累积区至输出区的沟道区上。为该电阻层配置两个分开的金属接触片或高传导性电极段135L和135H，这两段接触片垂直于沟道区长度延伸。将独立的偏置电位加到该两段金属接触片135L和135H。特别是，加到接触片135H上的电位数值高于加到接触片135L上的电位数值。由于这两种不同电位的结果，电流通过电阻部分135R流动在接触片135L和135H之间，从而产生在栅电极下面形成所要求电位斜率的一种电阻电压降。这在沟道区中形成一种电位梯度，该电位梯度把某一漂移分量加给流经该沟道区的电荷载流子。这就在基本上低于图2器件10所提供的入射光级的条件下产生所需要的电流线性。

图9中器件110的每一元件都被标以比图2器件10中对应结构大100的标号。这些元件中每一个除了那些已在此述及的元件之外，对熟悉本行技术的人士来说很好理解，都如图2中对应元件有同样的目的和起相同的作用。图9中器件110的结构制作起来比图2的器件结构10明显要复杂得多。因此，器件结构10对于那些不需要用于极端低光强、极端线性要求（百万分之几）场合的用途来说将是最佳的。另一方面，图9的器件结构110（及其变型）对于那些要求用于极端低光强的极端线性情况下则将是最佳的。

图10和11分别说明以剖面图形式示出的图9中器件110的结构图和图10结构中呈现的电位情况图，其中，图10类似于图3对器件10的图示方式，图11所处条件类似于图4B中相对于器件10所呈现的那些情况。

图11中，输出区126由于加到输出电极136上偏压的结果，其内具有一位阱146。沟道区中，位阱144就其底部来说有三个不同段。该位阱邻近输出区126有一平底144H。而该位阱邻近检测区122有一平区144L。这两个平坦部分中间，由于在栅导体135中呈现电阻层135R的结果，一斜坡部分144R延伸并连接在这两个平坦部分之间。由加到栅导体135的接触片135H上的电位确定平坦部分144H的深度或电平。同样地，由加到栅导体135的接触片135L上的电位确定电位144L的电平。电位斜坡部分144R按照流进接触片135L和135H之间电阻层135R的电流及其两端的电压降，仅连接电平144L和144H。栅极右侧边缘下面电位144H与输出区位阱146之间阶跃145的高度，是加到栅接触片135H和输出电极136的电位之差。检测区122中电位142和由加到栅导体135接触片135L上的电位形成的电平144L相同。这些各种不同电位电平中的每一个可独立地受控于加到三导体135L、135H和136上的偏压。

最好使加到接触片135H上的电位相对于加到电极136上的电位具有足够的电位差使该器件工作，以便使获得的在电位145阶跃大于电极136中任何电位变动，从而保证只有输出区126和任何栅极的覆盖部分对器件的输出电容有影响。

图12中以透视剖面图形式示出器件110的另一种型式210。器件210除其栅极234的结构之外与器件110相类似。栅极234的绝缘层233比器件110中绝缘栅的绝缘层133更充分延伸在检测区222和输出区226之上，另外，器件210中栅极的电阻层235R充分延伸在绝缘层233的整个宽度上。在栅极的检测区侧设置栅电极导体235的一金属接触片235L，与栅电极234的导电部分235的电阻层235R部分处于电阻性接触。该结构和图9的器件110中的结构相类似。然而，在器件210中，栅导体235没有和器件110中栅导体的接触片135H相对应的分开的金属接触片。代之以，在图中，电阻层235R的右侧边缘与器件210的输出区电极236配置成电阻接触。这种电极结构的优点是，该器件工作只需要单一的栅电位并将该栅极电位加到栅电极的接触片235L上。这与装置110的结构相对比，器件110必须将独立的栅偏压加到栅导体135的两个金属片135L和135H。在器件210中，不是提供第二栅偏压，而是经由电极236将偏压加到输出区用作该第二偏压。因此，图12的器件210只需要和图2的器件相同的三个外部连接，而不是如图9的器件110的情况需要四个独立的外部连接。通过内部把接触135H连接到输出区电极136，也将认为图9的器件结构可仅配置三个外部连接。

图13中，和图10中示出图9的结构相类似，以剖面图形式示出图12的器件结构，在图14中，用类似于图11的条件示出电位情况。特别，将实际是置第二PN结235为反向偏压的偏压加到输出电极236上，在输出区建立具有深度246的一位阱，在栅区224中，电位244从检测区数值242斜跨到输出区226中位阱246的边缘。由MOS栅的阈值电压确定位阱246与沟道区斜坡244的边缘处的阶跃高度。

只要在输出区边缘处电位245的阶跃大于输出电极236上电位波动，所述沟道和延伸面积二极管区就与输出去耦，并对器件的输出电容没有影响。

在图15中以透视剖面图示出按照本发明的器件再一种实施例310。该结构除以下两点之外和结构110相类似，所述不同的两点是，（1）电阻栅层335R延伸跨越整个集光区，其上有设置在该电阻栅层沟道长度相对端的接触片335L和335H，以及（2）因未设检测区，该区掺杂为与基体区320相反的导电型的。在该器件中，为了使待测光可通过其间而在半导体基体320内产生空穴/电子对，需把电阻栅层335R和栅绝缘层333制成透明的。因此，该电阻栅层335R最好是一片很薄（最好可以是约500

厚）的适当择杂质的多晶硅层。图16中以和图3、10和13相类似剖面图形式示出器件310的结构。在图17中以和图4、11和14相类似方式说明在操作时结构中所感生的电位情况。如线346所示，在输出区中的电位是结构中最低的电位（数值最大）。感光或检测区中的电位如由线344所示向下斜跨至输出区。在这场合，集光区的长度为L，检测区中在输出区边缘处的电位比集光区相对边缘处的电位低△V，渡越时间t_t由下式给出：

t_t= (L²)/(μΔV)

式中，L为集光区沟道长度，△V为电位差，而μ则为电荷载流子迁移率。

对于一个具有长度为30mm检测区的器件来说，L²是相当大的。由于输出线性取决于渡越时间，所以随着长度L增大，电位差△V必须也增大以保持线性恒定。然而，输出区电位的深度必须保持在某一电平上，该电平与把来自输出区的电流转换为电压的半导体运算放大器相兼容。

对于这种类型的器件结构，借助于把输出区置于检测区的中央可使最大电荷载流子渡越时间减小75%。用这种方法，集光区的每一半长度为L/2，由于在渡越时间方程中L是加以自乘的，所以这导致渡越时间减小到原来的1/4。

通过沿检测区的长边而不是短边设置输出区，可使在长而窄的该种类型光电检测器集光区中沟道长度L得以减小。对于一个30mmx1mm的一集光区来说，这可使和长度L减小到三十分之一，而使渡越时间减小到九百分之一，从而显著地降低出现非线性问题时的光级。

在本发明的全部实施例中，为了使线性保持到尽可能低的光强，最好把沟道区构成掩埋式沟道区而不是表面型沟道区，以防止电荷陷于快速分界状态（fast interface states），该状态可能会影响电荷移动。可以用半导体技术领域中众所周知的方法制作这样的掩埋式沟道。

尽管已述及接触片135L和135H用的是金属接触片，但对于熟悉本技术的人士来说，很清楚也可以使用金属硅化物和其它高导电性的非金属接触片。

如前已述及的，CT固态发光闪烁结构限制其关连的光电检测器具有大的集光区。把这种大的集光区聚焦到有显著较小检测器上是行不通的，因为当前可获得的光学缩微系统为有效使用该系统动态范围低端呈现的低光级，在缩微过程中损失太多的光。本发明则在一种极端环境下解决了线性光电检测问题，即用具有低输出电容的结构，动态范围为10⁵的系统对非常低的光级进行检测，其中为了压缩噪声，该光电检测器有很大光/电荷转换区，该区全部具有百万分之几精度范围的线性。因此，本发明具有用先有技术的光电检测器根本达不到的工作特性。

尽管本文已按照本发明一定的最佳实施例对本发明作了详细描述，但熟悉本行技术的人士仍可对其进行许多变型和变更。因此，旨在由所附权利要求书覆盖属于本发明的精神实质和范围内的全部这样的变型和变更。

Claims

1、一种光敏半导体器件，它包含：

一个具有一种导电类型的基体，

一个具有相反导电类型、与所述基体形成第一PN结的光电荷累积区，

一个与所述光电荷累积区间隔开，并与所述基体形成第二PN结构具有所述相反类型导电性的输出区，

一个从所述光电荷累积区延伸到所述输出区的基体的沟道区部分，以及

一个邻近所述基体设置的MOS栅极，用以通过控制所述基体的所述沟道区部分的电位而控制所述光电荷累积区的电位，并因而控制用使所述相反类型导电性的电荷载流子从所述光电荷累积区经由所述沟道区流向所述输出区所必须的电位。

2、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区的面积至少为所述输出区面积的10倍。

3、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区的面积至少为20mm²。

4、如权利要求3所述的光敏半导体器件，其特征在于：

当用给予所述沟道区对所述相反类型导电性的电荷载流子导电的固定栅极偏压操作时，所述器件在所述输出区测得的输出电容小于50pf/mm²。

5、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于：

当用给予所述沟道区对所述相反类型导电性的电荷载流子导电的固定栅极偏压操作时，所述器件在所述输出区测得的输出电容小于2.5pf。

6、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述器件包括一个与所述输出区设置成电阻接触的输出区电极，以及

将所述MOS栅极成形为在所述沟道区加一电位梯度，以便形成协助漂移的载流子流过所述沟道区。

7、如权利要求6所述的光敏半导体器件，其特征在于所述栅极包括：

横跨所述沟道区的一电阻层，

与所述电阻层设置成电阻接触，并在沟道区的长度方向间隔开的第一和第二高电导率电极段。

8、如权利要求7所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

9、如权利要求6所述的光敏半导体器件，其特征在于所述栅极包括：

一层跨越所述沟道区延伸到所述输出区电极的电阻材料层，以及

一段远离所述输出区电极、与所述电阻层设置成电阻接触的高导电的电极段。

10、如权利要求9所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述电阻性材料层是电阻性地连接到所述输出区的。

11、如权利要求10所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述电阻性材料层是与所述输出区电极设置成电阻接触。

12、如权利要求10所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

13、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于另外还包含：

与所述输出区设置成电阻接触的一个输出区电极。

14、如权利要求13所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

15、如权利要求1所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

16、一种操作如下类型光敏半导体器件的方法，所述类型的光敏半导体器件包括：一个具有一种类型导电性的基体，一个具有相反类型导电性与所述基体区形成第一PN结的光电荷累积区，一个与所述光电荷累积区间隔开关与所述基体区形成第二PN结的具有所述相反类型导电性的输出区，一个从所述光电荷累积区延伸到所述输出区的所述基体的沟道区部分，以及一个邻近所述基体设置的MOS栅极，用以通过控制所述基体所述沟道区部分的电位而控制所述光电荷累积区的电位，并因而控制为使所述相反类型导电性的电荷载流子从所述光电荷累积区经由所述沟道区流向所述输出区必须具有的电位，所述方法包含：

偏置所述输出区从而使所述第二PN结反向置，以及

把一稳定的栅偏置电位加到所述MOS栅极上，这使所述沟道区为所述光电荷累积区变得对所述相反类型导电性的载流子给予超出需要的电位的导向性，从而，使所述第一PN结成为反偏压以吸引相反类型导电性光致电荷载流子从所述基体区进到所述光电荷累积区之内。

17、权利要求16所述的方法，其特征在于：

所述栅偏置电位在所述沟道中感生一电位梯度从而使电荷载流子加速从所述检测区流向所述输出区。

18、一种电路，它包含：

如下述类型的一种光敏半导体器件，它包括：一个具有一种类型导电性的基体，一个具有相反类型导电性与所述基体区形成第一PN结的光电荷累积区，一个与所述光电荷累积区间隔开并与所述基体区形成第二PN结的具有所述相反类型导电性的输出区，以及一个邻近所述基体设置的MOS栅极，用以为所述相反导电类型的电荷载流子控制所述基体区的沟道区部分的导电性，所述基体区的所述沟道区部分从所述光电荷累积区延伸到所述输出区，

用以对所述输出区加偏压从而使所述第二PN结反向置压的装置，

用以把一偏压加到所述MOS栅电极上的装置，该偏压使所述沟道区对所述相反导电类型的载流子具有大于电位的导电性，从而使所述第一PN结成为反向置压，以及

用以从所述输出区吸收电流并产生一个足以代表从所述输出区吸收电流振幅的输出信号的装置。

19、如权利要求18所述的电路，其特征在于：

所述输出电流至少部分地是光致电流，以及

所述输出信号代表入射在所述器件上的光强。

20、如权利要求18所述的电路，其特征在于：

所述输出信号的振幅代表所述入射光的强度。

21、如权利要求18所述的电路，其特征在于另外还包含：

用以周期性地对所述输出信号取样以检测出现光强的装置。

22、如权利要求18所述的光敏半导体器件，其特征在于：

23、如权利要求22所述的光敏半导体器件，其特征在于：

24、如权利要求23所述的光敏半导体器件，其特征在于所述栅极包括：

一跨过所述沟道区的电阻层，

与所述电阻层设置成电阻接触、并在沟道区长度方向间隔开的第一和第二高导电率电极。

25、如权利要求24所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

26、如权利要求23所述的光敏半导体器件，其特征在于所述栅极包括：

27、如权利要求26所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述电阻性材料层是电阻性地叠加到所述输出区的。

28、如权利要求27所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述电阻性材料层是与所述输出区电极设置成电阻接触。

29、如权利要求28所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区没有连接到那里的电阻接触。

30、一种半导体光电检测器，它包含;

一个检测二极管，

一个输出二极管，以及

一个用以控制所述检测二极管与所述输出二极管之间的导电性，同时使所述输出二极管的电容与所述检测二极管电容去耦的电容去耦器。

31、如权利要求30所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述检测二极管、所述输出二极管和所述电容去耦器都集成在一半导体材料的单一基体上。

32、如权利要求31所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述电容去耦器包含一个设置在所述半导体材料基体上的绝缘栅极，它从所述检测二极管的第一区延伸到所述输出二极管的第一区，以便控制从所述检测二极管的所述第一区延伸到输出二极管的所述第一区的沟道区导电性。

33、如权利要求32所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述半导体材料的基体包含一个具有一种类型导电性的基体区，

所述检测二极管包含一个具有相反类型导电性、与所述基体区形成第一PN结的检测区，

所述输出二极管包含一个具有相反类型导电性与所述基体区形成第二PN结的输出区。

34、如权利要求33所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述电容去耦器包含一个设置在所述半导体材料基体上越过一部分所述基体区的绝缘栅极，它从所述检测区延伸到所述输出区，以便控制从所述检测区延伸到所述输出区的沟道区导电性。

35、如权利要求32所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述第一PN结的面积至少是所述第二PN结面积的五倍。

36、如权利要求35所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述第一PN结的面积至少是所述第二PN结面积的10倍。

37、如权利要求36所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述第一PN结的面积至少是所述第二PN结面积的50倍。

38、如权利要求37所述的半导体光电检测器，其特征在于：

所述第一PN结的面积至少是所述第二PN结面积的100倍。

39、一种光电检测系统，它包括：

一个包括一种类型导电性基体区的半导体材料基体，

一个检测区和一个输出区，各自具有不同类型导电性，各自设置在半导体材料的所述基体上，分别与所述基体区形成第一和第二PN结，

一个电容去耦器，用以控制所述检测区和所述输出区之间的导电性，同时使所述输出区的电容与所述检测区的电容去耦，所述去耦器包含一个设置在所述半导体材料的基体上，并从所述检测区延伸到所述输出区的绝缘栅极，以便为相反导电型电荷载流子控制从所述检测区延伸到所述输出区的沟道区导电性，

以使所述第二PN结反向置压的方式对所述输出区对于所述基体区加偏压，以及以使沟道区保持对所述相反导电类型的载流子导电的电位而对所述电容去耦器加偏压的装置，以便使所述第一PN结保持比所述第二PN结较小反偏压，从而使所述相反类型导电性的电荷载流子从所述检测区流向所述输出区，而不从所述输出区流向所述检测区。

40、如权利要求39所述的半导体光电检测器，其特征在于另外还包含：

连接到所述输出区用以收集来自所述输出区的电流的信号处理装置。

41、如权利要求39所述的半导体光电检测器，其特征在于：

将所述电容去耦器成形为在所述沟道区朝从所述检测区到所述输出区的方向感生一电位梯度。

42、一种光敏半导体器件，它包含：

一个具有一种导电类型的基体，

一个所述基体的光电荷累积区，所述光电荷累积区是具有一种导电类型的，

一个具有所述相反导电类型与所述基体形成一PN结的输出区，

一个邻近所述基体设置的电阻性MOS栅极，用以在所述光电荷累积区上强加一电位梯度，从而产生漂移电场有助于电荷载流子跨越所述光电荷累积区朝所述输出区传送。

43、如权利要求42所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区的面积至少是所述输出区的面积的10倍。

44、如权利要求42所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述光电荷累积区的面积至少为20mm²。

45、如权利要求44所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述器件呈现在所述输出区所测得的输出电容小于50pf。

46、如权利要求42所述的光敏半导体器件，其特征在于：

所述电阻栅基本上是透明的。

47、如权利要求42所述的光敏半导体器件，其特征在于所述电阻栅包括：

一层跨越所述光电荷累积区延伸到所述输出区电极的电阻性材料层，以及

一段远离所述输出区电阻与所述电阻层设置成电阻接触的高度导电电极片。

48、如权利要求42所述的光敏半导体器件，其特征在于另外还包含：

一个与所述输出区设置成电阻接触的输出区电极。