CN107895732B - 大满阱容量的ccd - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大满阱容量的CCD，所述CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD；其创新在于：单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区和两个势阱区；本发明的有益技术效果是：提出了一种大满阱容量的CCD，该CCD具备较大的满阱容量，像元的量子效率也较高，可有效提高图像的对比度和动态范围。

Description

大满阱容量的CCD
技术领域
本发明涉及一种CCD技术，尤其涉及一种大满阱容量的CCD。
背景技术
可见光帧转移结构的面阵CCD(下简称可见光面阵CCD)是一种高灵敏度的光电传感器，在光谱测绘、图形扫描、快速扫描成像、定标测量等系统中都有广泛的应用，而且可见光面阵CCD具有很宽的光谱探测范围，对近紫外到近红外的光谱范围都有较好的响应。
虽然，可见光面阵CCD性能优良，但是，现有的可见光面阵CCD的满阱电子数一般在100ke-～500ke-范围内，其满阱容量较小，若将这种可见光面阵CCD用于卫星对地成像或者光谱扫描，由于成像区域较大，昼夜对比度大，光谱范围较宽，受器件满阱容量限制，图像的对比度和动态范围都较低，无法满足卫星对地成像或光谱扫描的需求。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种大满阱容量的CCD，所述CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD；其创新在于：单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区和两个势阱区；所述势垒区的周向轮廓为矩形，所述势阱区的周向轮廓为矩形；所述势垒区的左侧边所在方向记为A方向，与A方向垂直的方向记为B方向；势垒区和势阱区沿B方向排列：第一势垒区的右侧边与第一势阱区的左侧边相连，第一势阱区的右侧边与第二势垒区的左侧边相连，第二势垒区的右侧边与第二势阱区的左侧边相连，第二势阱区的右侧边形成像元的输出侧；两个势垒区和两个势阱区所组成的区域记为转移区，转移区的周向轮廓为矩形；第一转移控制栅设置在第一势垒区表面，第二转移控制栅设置在第一势阱区表面，第三转移控制栅设置在第二势垒区表面，第四转移控制栅设置在第二势阱区表面；单个势垒区在B方向上的尺寸为3μm，单个势阱区在B方向上的尺寸为52μm，转移区在A方向上的尺寸为62μm。
前述方案中设置了四个转移控制栅，实际应用时，四个转移控制栅作两相转移控制应用(即将将第一转移控制栅和第二转移控制栅短接作为一个转移相使用，将第三转移控制栅和第四转移控制栅短接作为另一个转移相使用)，之所以制作四个转移控制栅，是为了使器件能够与现有的多次多晶硅工艺相兼容；
将第一势垒区的左侧边记为像元的输入侧；采用前述像元结构构成可见光面阵CCD时，将同一列上三个顺次排列的像元分别记为像元1、像元2和像元3，像元1的输出侧与像元2的输入侧相连，像元2的输出侧与像元3的输入侧相连，同一列中的多个像元按前述方式连接，多个转移区即形成一条转移通道；可见光面阵CCD工作时，其单个工作周期可分为三个阶段：第一阶段是光积分阶段，外部光线照射在像元上产生光生电子(光生电子存储在势阱区中)；第二阶段是内部信号合并阶段，通过转移控制栅控制第一势阱区内的光生电子转移到第二势阱区中，从而将两个势阱区内的光生电子合并；第三阶段是转移阶段，仍然通过转移控制栅，按常规的垂直转移方式或水平转移方式，使多个像元内的光生电子沿转移通道顺次向外转移；
采用本发明方案后，像元内的势阱区面积较大，可以保证像元的满阱容量和平均量子效率都达到较高的水平，此外，由于单个像元内设置了两个势阱区，像元内信号向外转移前，能够先将两个势阱区内的光生电子进行信号合并处理，可以有效提高单个势阱区的满阱率，还有，势垒区的尺寸为3μm×62μm，势阱区的尺寸为52μm×62μm，二者的面积比为3︰52，相关尺寸为经多次试验验证后得到的最佳值，在相应尺寸条件下得到的像元，既可以保证满阱容量和平均量子效率都达到较高的水平，又可以保证势阱区之间的信号转移效率也保持在≥99.9995％的较高水平。
优选地，在转移区的下侧设置有两个蓝光窗口区；所述蓝光窗口区的周向轮廓为矩形；蓝光窗口区的上侧边与转移区的下侧边相连，第一蓝光窗口区的右侧边与第一势阱区的右侧边齐平，第二蓝光窗口区的右侧边与第二势阱区的右侧边齐平；单个蓝光窗口区在B方向上的尺寸为53μm、在A方向上的尺寸为40μm。由于势垒区和势阱区表面均设置有转移控制栅，外部光线照射时，光量有一定损失，为了进一步提高像元的量子效率，于是发明人在像元中又设置了蓝光窗口区，蓝光窗口区表面无阻挡物，可以有效提高像元的量子效率；器件工作时，在光积分阶段，由蓝光窗口区产生的光生电子也储存在对应的势阱区中；
基于本领域的常识可知，在像元周围还需设置相应的沟阻以防止信号窜扰，单个像元中的两个蓝光窗口区之间也需用沟阻进行隔离。
本发明的有益技术效果是：提出了一种大满阱容量的CCD，该CCD具备较大的满阱容量，像元的量子效率也较高，可有效提高图像的对比度和动态范围。
附图说明
图1、本发明的像元结构示意图一；
图2、本发明的像元结构示意图二(增加了蓝光窗口区后的方案)；
图3、本发明的像元结构示意图三(增加了抗晕栅后的方案)；
图4、同一转移通道上相邻两像元连接时的结构示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：势垒区1、势阱区2、蓝光窗口区3、抗晕栅4、沟阻5。
具体实施方式
一种大满阱容量的CCD，所述CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD；其创新在于：单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区1和两个势阱区2；所述势垒区1的周向轮廓为矩形，所述势阱区2的周向轮廓为矩形；所述势垒区1的左侧边所在方向记为A方向，与A方向垂直的方向记为B方向；势垒区1和势阱区2沿B方向排列：第一势垒区1的右侧边与第一势阱区2的左侧边相连，第一势阱区2的右侧边与第二势垒区1的左侧边相连，第二势垒区1的右侧边与第二势阱区2的左侧边相连，第二势阱区2的右侧边形成像元的输出侧；两个势垒区1和两个势阱区2所组成的区域记为转移区，转移区的周向轮廓为矩形；第一转移控制栅设置在第一势垒区1表面，第二转移控制栅设置在第一势阱区2表面，第三转移控制栅设置在第二势垒区1表面，第四转移控制栅设置在第二势阱区2表面；单个势垒区1在B方向上的尺寸为3μm，单个势阱区2在B方向上的尺寸为52μm，转移区在A方向上的尺寸为62μm。
进一步地，在转移区的下侧设置有两个蓝光窗口区3；所述蓝光窗口区3的周向轮廓为矩形；蓝光窗口区3的上侧边与转移区的下侧边相连，第一蓝光窗口区3的右侧边与第一势阱区2的右侧边齐平，第二蓝光窗口区3的右侧边与第二势阱区2的右侧边齐平；单个蓝光窗口区3在B方向上的尺寸为53μm、在A方向上的尺寸为40μm。采用带蓝光窗口区3的方案时，经试验验证，可见光面阵CCD的满阱容量可达到13000ke-的量级(1.30E+07e-)，动态范围可达40000：1，峰值量子效率可达54.5％，400nm～900nm全谱段平均量子效率可达43％。
基于现有技术可知，在本发明的像元结构中，还可增加抗晕栅4，以使器件具备抗晕性能，本发明的图3提供了一种抗晕栅4方案，该方案中为两个势阱区2各配备了一个抗晕栅4。采用本发明的最优方案时，单像元尺寸为110μm×110μm。

Claims (2)

1.一种大满阱容量的CCD，所述CCD为多个像元构成的可见光帧转移结构的面阵CCD；其特征在于：单个像元包括四个转移控制栅、两个势垒区（1）和两个势阱区（2）；所述势垒区（1）的周向轮廓为矩形，所述势阱区（2）的周向轮廓为矩形；将与势垒区（1）的左侧边平行且向上的方向记为A方向，与A方向垂直的方向记为B方向；势垒区（1）和势阱区（2）沿B方向排列：第一势垒区（1）的右侧边与第一势阱区（2）的左侧边相连，第一势阱区（2）的右侧边与第二势垒区（1）的左侧边相连，第二势垒区（1）的右侧边与第二势阱区（2）的左侧边相连，第二势阱区（2）的右侧边形成像元的输出侧；两个势垒区（1）和两个势阱区（2）所组成的区域记为转移区，转移区的周向轮廓为矩形；第一转移控制栅设置在第一势垒区（1）的外表面，第二转移控制栅设置在第一势阱区（2）的外表面，第三转移控制栅设置在第二势垒区（1）的外表面，第四转移控制栅设置在第二势阱区（2）的外表面；单个势垒区（1）在B方向上的尺寸为3μm，单个势阱区（2）在B方向上的尺寸为52μm，转移区在A方向上的尺寸为62μm。
2.根据权利要求1所述的大满阱容量的CCD，其特征在于：在转移区的下侧设置有两个蓝光窗口区（3）；所述蓝光窗口区（3）的周向轮廓为矩形；蓝光窗口区（3）的上侧边与转移区的下侧边相连，第一蓝光窗口区（3）的右侧边与第一势阱区（2）的右侧边齐平，第二蓝光窗口区（3）的右侧边与第二势阱区（2）的右侧边齐平；单个蓝光窗口区（3）在B方向上的尺寸为53μm、在A方向上的尺寸为40μm。
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