CN107046046A - Ccd像元结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种CCD像元结构，由衬底、吸收区、感光区、保护区、信号转移通道、信道和沟阻区组成，其中，感光区由N型区和P型区组成，N型区和P型区形成能够实现电荷倍增的PN结二极管。本发明的有益技术效果是：提出了一种新的CCD像元结构，该CCD像元结构能够在光生电荷产生之初就对其进行电荷倍增处理，如果只需要进行一次电荷倍增处理，就不必再在后端设置相应的电荷倍增结构，如果需要进行两次电荷倍增处理，只需将其与现有的电荷倍增手段相结合就能实现。

Description

CCD像元结构
技术领域
本发明涉及一种CCD技术，尤其涉及一种CCD像元结构。
背景技术
为适应微光环境的成像需要，现有技术一般采用电荷倍增技术来提高CCD的微光探测能力，常见的如EMCCD，这类CCD一般都通过在CCD像元的后端设置电荷倍增转移通道来实现电荷倍增处理；存在的问题是：随着CCD应用领域的拓展，工程界对CCD的微光探测能力提出了更高的要求，现有的仅能进行一次电荷倍增处理的CCD已经不能满足要求了，亟待开发一种微光探测能力更强的CCD。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种CCD像元结构，其创新在于：所述CCD像元结构由衬底、吸收区、感光区、保护区、信号转移通道、信道和沟阻区组成；所述感光区、保护区、信号转移通道、信道和沟阻区均形成在衬底上侧面的表层中；所述保护区环绕在感光区的外围，保护区上设置有转移缺口；所述转移缺口与感光区的输出部对应；所述信号转移通道位于转移缺口中，信号转移通道的输入端与感光区的输出部连接，信号转移通道的输出端从信道的侧向与信道连接；多个CCD像元结构均按前述方式与信道连接；所述沟阻区设置在保护区和信道的外围；所述信道的输出部与后级转移通道的输入部连接；所述感光区、保护区、信号转移通道、信道和沟阻区所形成的结构体记为表层结构；所述吸收区形成在衬底中部，吸收区上部与所述表层结构接触；所述感光区由N型区和P型区组成，所述N型区位于P型区的上侧，N型区下部与P型区接触，所述N型区和P型区形成能够实现电荷倍增的PN结二极管。
本发明的原理是：本发明通过在感光区内设置N型区和P型区来形成能够实现电荷倍增的PN结二极管，从而使单个CCD像元就能对光生电荷进行电荷倍增处理，结合现有技术中通行的后端电荷倍增处理手段，就使得CCD能够对光生电荷进行两次电荷倍增处理，最终使得CCD的微光成像能力得到进一步的增强；需要说明的是，为了使N型区和P型区所形成的PN结二极管能够对光生电荷进行电荷倍增，需要在相应功能区上施加较大的电压，为防止高压击穿，于是本发明还配套设置了吸收区和保护区，除此之外，其余的衬底、信号转移通道、信道和沟阻区，在本发明中所起功能与现有技术中的类似结构相似；结合现有技术，本领域技术人员应该清楚，具体应用本发明时，还要在CCD像元结构上设置相应的控制电极，由于控制电极的设置方式为常规技术，以及考虑到控制电极与本发明的创新点关联性不大，故前述方案中未作详述。
结合现有的信号转移通道实现手段，本发明还提出了如下的优选方案：所述信号转移通道由收集二极管和信号读出势垒组成，所述收集二极管的输入端与感光区的输出部连接，收集二极管的输出端与信号读出势垒的输入端连接，信号读出势垒的输出端从信道的侧向与信道连接。
为便于本领域技术人员实施，本发明还公开了如下的优选方案：所述收集二极管的掺杂类型为N，所述信号读出势垒的掺杂类型为P，所述信道的掺杂类型为N。
如前所述的，本发明与现有的电荷倍增手段结合后可以对光生电荷进行两次电荷倍增处理，于是本发明还有如下的优选实施方案：所述后级转移通道中至少包含有一电荷倍增转移通道，所述电荷倍增转移通道能对信道输出的信号进行电荷倍增处理。本领域技术人员应该清楚，虽然将本发明与现有的后端电荷倍增技术结合后，可以使电荷倍增效果得到最大化，但并不意味着本发明“必须”要与后端电荷倍增技术结合使用，单独使用本发明时，由于相应功能区都形成在像元内部，对像元的尺寸几乎无影响，但却可以不必再在后端设置相应的电荷倍增转移通道，所节省出的空间要么可以用于缩减器件尺寸、要么可以用于设置其他功能结构。
优选地，所述N型区的掺杂类型为N+，所述P型区的掺杂类型为P-，所述吸收区的掺杂类型为P--，所述衬底的掺杂类型为P。
本发明的有益技术效果是：提出了一种新的CCD像元结构，该CCD像元结构能够在光生电荷产生之初就对其进行电荷倍增处理，如果只需要进行一次电荷倍增处理，就不必再在后端设置相应的电荷倍增结构，如果需要进行两次电荷倍增处理，只需将其与现有的电荷倍增手段相结合就能实现。
附图说明
图1、本发明的俯视图(图中对栅介质层作了透明处理)；
图2、图1中AA'虚线位置处的结构断面示意图；
图3、本发明的底视图(图中对衬底和吸收区作了透明处理)；
图中各个标记所对应的名称分别为：衬底1、吸收区2、保护区3、沟阻区4、N型区5、P型区6、收集二极管7、信号读出势垒8、信道9、栅介质层10、信号转移电极一V1、信号转移电极二V2、信号转移电极三V3、信号转移电极四V4。
具体实施方式
一种CCD像元结构，其创新在于：所述CCD像元结构由衬底1、吸收区2、感光区、保护区3、信号转移通道、信道9和沟阻区4组成；所述感光区、保护区3、信号转移通道、信道9和沟阻区4均形成在衬底上侧面的表层中；所述保护区3环绕在感光区的外围，保护区3上设置有转移缺口；所述转移缺口与感光区的输出部对应；所述信号转移通道位于转移缺口中，信号转移通道的输入端与感光区的输出部连接，信号转移通道的输出端从信道9的侧向与信道9连接；多个CCD像元结构均按前述方式与信道9连接；所述沟阻区4设置在保护区3和信道9的外围；所述信道9的输出部与后级转移通道的输入部连接；所述感光区、保护区3、信号转移通道、信道9和沟阻区4所形成的结构体记为表层结构；所述吸收区2形成在衬底1中部，吸收区2上部与所述表层结构接触；所述感光区由N型区5和P型区6组成，所述N型区5位于P型区6的上侧，N型区5下部与P型区6接触，所述N型区5和P型区6形成能够实现电荷倍增的PN结二极管。
进一步地，所述信号转移通道由收集二极管7和信号读出势垒8组成，所述收集二极管7的输入端与感光区的输出部连接，收集二极管7的输出端与信号读出势垒8的输入端连接，信号读出势垒8的输出端从信道9的侧向与信道9连接。
进一步地，所述收集二极管7的掺杂类型为N，所述信号读出势垒8的掺杂类型为P，所述信道9的掺杂类型为N。
进一步地，所述后级转移通道中至少包含有一电荷倍增转移通道，所述电荷倍增转移通道能对信道9输出的信号进行电荷倍增处理。
进一步地，所述N型区5的掺杂类型为N+，所述P型区6的掺杂类型为P-，所述吸收区2的掺杂类型为P--，所述衬底1的掺杂类型为P。
进一步地，所述N型区5的掺杂类型为N+，所述P型区6的掺杂类型为P-，所述吸收区2的掺杂类型为P--，所述衬底1的掺杂类型为P。
本发明的工作过程如下：当入射光子进入CCD像元结构内时，首先在吸收区2被吸收，转变为电子空穴对，空穴经由衬底导走，剩下的电子即为信号电子；CCD工作时，先在信号转移电极一上施加高电压(约30V左右)，使N型区5和P型区6形成雪崩击穿，前述的信号电子进入雪崩区后即被倍增，倍增后得到的信号电子储存在收集二极管7中；倍增过程结束后，将信号转移电极一上的电压进一步增加(约40V左右)，使信号电子越过信号读出势垒8进入到信道9中；此后，再通过向信号转移电极一V1、信号转移电极二V2、信号转移电极三V3和信号转移电极四V4施加驱动电压，使信号电子通过信道9向外转移，最终实现信号的转移和读出。

Claims (6)

1.一种CCD像元结构，其特征在于：所述CCD像元结构由衬底(1)、吸收区(2)、感光区、保护区(3)、信号转移通道、信道(9)和沟阻区(4)组成；所述感光区、保护区(3)、信号转移通道、信道(9)和沟阻区(4)均形成在衬底上侧面的表层中；所述保护区(3)环绕在感光区的外围，保护区(3)上设置有转移缺口；所述转移缺口与感光区的输出部对应；所述信号转移通道位于转移缺口中，信号转移通道的输入端与感光区的输出部连接，信号转移通道的输出端从信道(9)的侧向与信道(9)连接；多个CCD像元结构均按前述方式与信道(9)连接；所述沟阻区(4)设置在保护区(3)和信道(9)的外围；所述信道(9)的输出部与后级转移通道的输入部连接；所述感光区、保护区(3)、信号转移通道、信道(9)和沟阻区(4)所形成的结构体记为表层结构；所述吸收区(2)形成在衬底(1)中部，吸收区(2)上部与所述表层结构接触；所述感光区由N型区(5)和P型区(6)组成，所述N型区(5)位于P型区(6)的上侧，N型区(5)下部与P型区(6)接触，所述N型区(5)和P型区(6)形成能够实现电荷倍增的PN结二极管。
2.根据权利要求1所述的CCD像元结构，其特征在于：所述信号转移通道由收集二极管(7)和信号读出势垒(8)组成，所述收集二极管(7)的输入端与感光区的输出部连接，收集二极管(7)的输出端与信号读出势垒(8)的输入端连接，信号读出势垒(8)的输出端从信道(9)的侧向与信道(9)连接。
3.根据权利要求2所述的CCD像元结构，其特征在于：所述收集二极管(7)的掺杂类型为N，所述信号读出势垒(8)的掺杂类型为P，所述信道(9)的掺杂类型为N。
4.根据权利要求1、2或3所述的CCD像元结构，其特征在于：所述后级转移通道中至少包含有一电荷倍增转移通道，所述电荷倍增转移通道能对信道(9)输出的信号进行电荷倍增处理。
5.根据权利要求1、2或3所述的CCD像元结构，其特征在于：所述N型区(5)的掺杂类型为N+，所述P型区(6)的掺杂类型为P-，所述吸收区(2)的掺杂类型为P--，所述衬底(1)的掺杂类型为P。
6.根据权利要求4所述的CCD像元结构，其特征在于：所述N型区(5)的掺杂类型为N+，所述P型区(6)的掺杂类型为P-，所述吸收区(2)的掺杂类型为P--，所述衬底(1)的掺杂类型为P。
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