CN108666336B - 一种utbb光电探测器阵列及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法，其中，光电探测器的阵列包括：由栅极公共端组成的字线、由漏极公共端组成的位线、由公共源极组成的共源端以及由具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。所述双工作模式包括：通过一个包含双阱结构的全像素单元进行光采集，使得光电探测器实现高灵敏度的工作模式；以及将一个像素单元拆分成两个半宽度像素，每个半宽度像素单独完成一个像素点光信号的采集，使得光电探测器实现高分辨率的工作模式。本发明的优点是，通过所述的UTBB光电探测器阵列及其工作方法，在不改变原有器件性能的基础上，使得具有UTBB结构的光电探测器同时具有高分辨率和高灵敏度两种工作模式。
Description
技术领域
本发明涉及光电成像领域，特别是涉及了一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法，用于不同的使用需求。
背景技术
光电成像探测器在生产生活中被广泛使用。现有主流光电成像探测器是CCD和CMOS-APS结构。这两种结构目前的感光单元尺寸均处于微米级别，且由于技术限制，很难进一步缩小。一些新型单晶体管光电成像探测器虽然感光单元尺寸能够缩小到亚微米级别，但在某些对灵敏度有高要求的应用当中，其感光性能很难满足需求。
CMOS-APS光电器件通过其感光单元光电二极管收集电荷后转变为电压信号，然后通过CMOS电路放大并读取。COMS感光阵列示意图如图2所示。该阵列在感光时所有感光单元同时曝光，每个像素独立收集该像素点处的光信号并将其转化为电信号存储在感光单元内；曝光结束后，感光单元中的信号通过行列选择被依次读取出来，从而完成一次感光操作。该阵列中的每个感光单元均包含多个晶体管等器件结构，这使得像素尺寸局限在微米量级以上无法进一步缩小。一些使用单个晶体管(如UTBB结构)实现光电探测单元可以有效降低感光单元尺寸。目前，有采用UTBB结构作为图像传感器的方案，其阵列基本结构与工作方式与CMOS感光阵列类似。然而，这类阵列工作方式单一，阵列的工作性能主要取决于单元器件的性能，很难根据不同应用需求调整工作方式。因此，一种UTBB光电探测器的阵列排列方法及其双工作模式方法是令人期望的。
发明内容
针对上述内容，根据本发明的一个方面公开了一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，所述阵列由M×N个，且M、N大于等于2的全像素单元组成，所述全像素单元具有双阱差分结构，包括：半宽度像素的衬底中部分区域具有P型掺杂和半宽度像素的衬底中部分区域具有N型掺杂。
优选的，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。
更优选的，所述势阱端包括：P型势阱端与N型势阱端。
更优选的，所述P型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有P型掺杂的部分衬底组成的公共端；所述N型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有N型掺杂的部分衬底组成的公共端。
更优选的，所述位线包括：由具有P型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第一位线；以及由具有N型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第二位线。
更优选的，所述第一位线与第二位线交替排列。
根据本发明的另一个方面，公开了一种使用上述光电探测器阵列的工作方法，包括：通过一个全像素单元完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高灵敏度的工作模式；以及利用全像素单元中的半宽度像素，分别完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高分辨率的工作模式。
进一步的，所述高灵敏度的工作模式包括；在具有P型掺杂的半宽度像素的P型掺杂区域施加反向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流减小；在具有N型掺杂的半宽度像素的N型掺杂区域施加正向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流增大；通过计算具有P型掺杂的半宽度像素与具有N型掺杂的半宽度像素的开态电流的变化量，获得差分电流，从而获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高灵敏度的工作模式。
更进一步的，所述差分电流为一个全像素单元中两个具有不同掺杂类型的半宽度像素的漏极与源极之间的导通电流。
更进一步的，所述高分辨率的工作模式包括：以每个半宽度像素中开态电流的增加量或减小量，获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高分辨率的工作模式。
本发明的优点是，通过所述的UTBB光电探测器阵列及其工作方法，在不改变原有器件性能的基础上，使得具有UTBB结构的光电探测器同时具有高分辨率和高灵敏度两种工作模式。
附图说明
通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明UTBB光电探测器阵列中全像素单元内的结构示意图
图2示出了CMOS光电探测器阵列结构示意图。
图3示出了本发明的UTBB光电探测器阵列结构示意图。
图4示出了光电探测器的工作流程图。
图5示出了本发明的具有P型势阱的半宽度像素的转移特性图。
图6示出了本发明的具有N型势阱的半宽度像素的转移特性图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明UTBB光电探测器阵列中全像素单元内的结构示意图，其中1、11为沟道区域，2、12为漏端区域，3、10为源端区域，4、13为埋氧层，5、9、14为隔离层，6为P型势阱区域，7为N型势阱区域，8为衬底区域。
具体的，沟道区域1或沟道区域11上方为栅端区域，通过在栅端区域施加定向电势使得电子聚集在其下方的沟道区域中，当电势达到阈值时，聚集在栅端区域下方沟道区域中的电子形成沟道，使得漏端区域与源端区域导通，进而，在一定的漏源电压下产生开态电流。P型势阱区域6与N型势阱区域7为衬底区域8的一部分，区别在于，P型势阱区域6或N型势阱区域7与衬底区域8具有相同或不同的掺杂类型，并具有不同的掺杂浓度。沟道区域1、漏端区域2、源端区域3、埋氧层4、P型势阱区域6以及衬底区域8共同组成了P型半宽度像素；对应的，沟道区域11、漏端区域12、源端区域10、埋氧层13、N型势阱区域7以及衬底区域8共同组成了N型半宽度像素。此外，如图1所示由所述P型半宽度像素与所述N型半宽度像素组成的阵列具有nMOSFET结构，其一个半宽度像素内仅包含一个晶体管，大大缩小了像素点的体积，使得所述P型或N型半宽度像素的尺寸达到了亚微米的级别，进而使得当由具有P型势阱或N型势阱的半宽度像素分别实现一个像素的光采集时，具有更高的分辨率。上述中，所述全像素单元主要由晶体管组成，是主要的光电转换元件。
如图3所示，为本发明的UTBB光电探测器阵列结构示意图。所述阵列由多个全像素单元组成，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。
具体的，图3所示的阵列中，包含4X2个全像素单元，每个全像素单元包含一个P型势阱半宽度像素和一个N型势阱半宽度像素。该阵列可以具有两种感光模式：高分辨率模式和高灵敏度模式。在高分辨率模式下，每个P型势阱半宽度像素和N型势阱半宽度像素均作为独立像素点进行感光。在高灵敏度模式下，一个全像素单元作为一个像素点进行感光。阵列由常见的行列选择外围控制电路实现读取，并由外围电路控制实现阵列工作模式的切换。
更具体的，其中WL1、WL2、WL3与WL4为位线，分别为每一行P型半宽度像素或N型半宽度像素的栅极公共端；BL1-、BL1+、BL2-以及BL2+为字线，分别为每一列P型半宽度像素或N型半宽度像素的漏极公共端。由于每个全像素单元均包含一个P型半宽度像素和一个N型半宽度像素，所以P型半宽度像素列与N型半宽度像素列始终交替排列；VS为源极公共端，由所述阵列中所有的P型半宽度像素或N型半宽度像素的源极连接组成；VB-为P型势阱端，由所述阵列中每一列P型半宽度像素的P型势阱区域连接组成；VB+为N型势阱端，由所述阵列中每一列N型半宽度像素的N型势阱区域连接组成。需说明的是，图3中仅示出了一个4×2的UTBB全像素单元阵列，实际使用中UTBB全像素单元阵列可以为任意NⅹM的阵列，其中N代表N行全像素单元，M代表M列全像素单元，N、M大于等于2。此外，上述位线符号中的正负标记不代表其施加电压信息号的正负，该正负标记仅为区分P型半宽度像素列组成的位线或N型半宽度像素列组成的位线。
如图4所述，为光电探测器的工作流程图。光电探测器的工作过程可以分为四个过程，包括:步骤S1光电探测器的初始化、步骤S2光生载流子的采集、步骤S3开态电流的读取以及步骤S4光电探测器的复位。其中光信号到电信号的变化发生于步骤S2光生载流子的采集的过程中，电信号的采集发生于步骤S3开态电流的读取的过程中。本发明利用图3所示的阵列结构，通过读取全像素单元内两个半宽度像素开态电流的差分量，将所述开态电流的差分量作为一个像素点的电信号，使得以此工作模式工作的光电探测器具有更高的灵敏度；通过读取每个半宽度像素的开态电流的变化量，将每个开态电流的变化量作为一个像素点的电信号，使得以此模式工作的光电探测器同时具有UTBB结构探测器高分辨率的特点。下面将结合光电探测器的工作过程对本发明的所述高灵敏度工作模式进行进一步说明：
如表1所示，为本发明光电探测器工作过程中，全像素单元阵列各极端所施加的电位信号。
表1
其中，Vreset为复位电压。
具体的，本发明高灵敏度模式下的工作过程为：
(1)光电探测器的初始化：将源极端、栅极端、漏极端、P型势阱端以及N型势阱端置零电位，为光生载流子的采集做好准备，完成所述装置的初始化。
(2)光生载流子的收集：光生载流子的收集原理为，光生载流子为一对电子-空穴对，通过半导体的光电效应产生，当一个光子被半导体吸收即产生一对电子-空穴对，因此可根据产生电子或空穴的个数确定光照强度，将漏极端置正电位，从而产生由漏极指向衬底的电场，当没有电场时，在光照下，衬底中光生载流子不断产生，同时也不断复合，电子与空穴无法分开，当产生由漏极指向衬底的电场时，由于埋氧层很薄，电场很容易透过埋氧层而作用到衬底上，从而使得衬底中的空穴受到排斥，进而在电场下方衬底中产生耗尽层，电子受到吸引，在衬底中靠近埋氧层的耗尽层中聚集，形成反型层，停止光照后，电子被所述电场锁在反型层中，从而实现了光生载流子的收集。本发明的高灵敏度工作模式下，将栅极端置0，漏极端置+VDD，源极端置0，每个像素由包含双阱互补差分结构的全像素单元组成，在其中的P型势阱端施加反向的电位-VDD，在N型势阱端施加正向的3倍的+VDD，，最终，导致不同类型的光生载流子聚集到BOX下方衬底中，完成光生载流子的收集。上述中在P型势阱端施加-VDD，在N型势阱端施加+3VDD的目的是为了保证漏极端与势阱端电位差的绝对值同为2VDD。
(3)光电流的读出：光电流的读出原理为，通过BOX(Buried Oxide)埋氧层上方nMOSFET结构的漏端电流对光信号进行读取。以光生电子为例，将所UTBB结构中的衬底置负电位，栅极端与漏极端置正电位，由于栅极与漏极之间距离很近，栅极下方的耗尽层、反型层与漏极下方的耗尽层、反型层重合，使得光生载流子(电子)也分布在栅极下方的衬底中，同时，栅极、埋氧层、衬底形成类似电容器的结构，电子形成电场，使得栅极下方沟道中的反型载流子减少，nMOSFET的阈值电压增大，在不同的光照下，埋氧层下方衬底聚集的光生电子的数量不同，导致nMOSFET器件阈值电压不同，开态电流不同，通过对nMOSFET的开态电流的读取，从而间接的评估光照强度。本发明中，光生载流子收集后，在P阱中，光生电子聚集到BOX下方，使得BOX下方的电势下降，进而导致nMOSFET的阈值电压增大，开态电流减小，获得第一开态电流。在N阱中，光生空穴聚集到BOX下方，使得BOX下方的电势上升，进而导致nMOSFET的阈值电压减小，开态电流增大，获得第二开态电流。最后通过读取所述第一开态电流与第二开态电流的差分电流来确定该像素点的光照强度。通过上述方式使得一对半宽度像素的开态电流的差值在曝光前后的变化量大于单独半宽度像素开态电流曝光前后的变化量，从而实现高灵敏度的工作模式。上述中，所述开态电流即为漏端电流。
(4)光电探测器的复位：光电探测器的复位的原理为，光电探探测器的复位用于释放光照阶段产生的光生载流子，在光信号读取完毕后，将源漏电极置零电位，衬底置与光生载流子极性相反的复位电位Vreset(复位电位约为工作电位1～2倍)，聚集的光生载流子在电场作用下通过衬底漂移出去，完成光电探测器的复位过程。以上即为本发明高灵敏度模式的工作过程。
本发明高分辨率模式下的工作过程为：
高分辨率模式与高灵敏度模式在初始化、收集、读取与复位四个阶段的极端电位施加情况相同。不同的是，在高分辨率模式中，每个像素点由一个半宽度像素构成，且由于具有UTBB结构的半宽度像素仅由一个晶体管构成，每个半宽度像素能独立完成感光放大读取等功能，因此，使得像素点尺寸降低到了亚微米的尺度，从而实现了高分辨率成像。在对分辨率有更高要求的应用需求下，该阵列可采用独立半宽度像素感光的工作模式。
如图5和图6所示，分别为本发明的具有P型势阱的半宽度像素的转移特性图和具有N型势阱的半宽度像素的转移特性图。其中虚线表示光照前的开态电流，实线表示光照后的开态电流，如图5所示，在具有P型势阱的半宽度像素中，光照后开态电流减小；如图6所示，在具有N型势阱的半宽度像素中，光照后开态电流增大；若同时对二者光照后的开态电流进行读取，获得的两个半宽度像素开态电流的变化量大于二者任意一个单独的开态电流的变化量。本发明正是利用这一特点，实现了高灵敏度的工作模式。
需指出的是，本文中半宽度像素是指全像素单元中的部分结构，全像素单元指的是构成光电探测器的基本单元，像素指的是形成一幅图像中的最小组成单位。
以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，所述阵列由M×N个，且M和N大于等于2的基于UTBB结构的全像素单元组成，所述基于UTBB结构的全像素单元包括沟道区域、漏端区域、源端区域、埋氧层、隔离层、P型势阱区域、N型势阱区域、衬底区域；其中，
所述沟道区域上方为栅端区域，通过在所述栅端区域施加定向电势使得电子聚集在其下方的沟道区域中，当电势达到阈值时，聚集在所述栅端区域下方沟道区域中的电子形成沟道，使得所述漏端区域与所述源端区域导通；
所述P型势阱区域与所述N型势阱区域在所述衬底区域中，所述P型势阱区域与所述衬底区域具有相同或不同的掺杂类型，并具有不同的掺杂浓度；所述N型势阱区域与所述衬底区域具有相同或不同的掺杂类型，并具有不同的掺杂浓度；
其中，所述沟道区域包括第一沟道区域和第二沟道区域，所述漏端区域包括第一漏端区域和第二漏端区域，所述源端区域包括第一源端区域和第二源端区域，所述埋氧层包括第一埋氧层和第二埋氧层；
所述第一沟道区域、第一漏端区域、第一源端区域、第一埋氧层、P型势阱区域以及衬底区域共同组成了P型半宽度像素；
所述第二沟道区域、第二漏端区域、第二源端区域、第二埋氧层、N型势阱区域以及衬底区域共同组成了N型半宽度像素。
2.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。
3.根据权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述势阱端包括：P型势阱端与N型势阱端。
4.根据权利要求3所述的阵列，其特征在于，所述P型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有P型掺杂的部分衬底组成的公共端；所述N型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有N型掺杂的部分衬底组成的公共端。
5.根据权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述位线包括：
由具有P型掺杂区域的所述P型半宽度像素的漏极公共端组成的第一位线；
以及由具有N型掺杂区域的所述N型半宽度像素的漏极公共端组成的第二位线。
6.根据权利要求5所述的阵列，其特征在于，所述第一位线与第二位线交替排列。
7.一种上述权利要求1-6任意一项所述的光电探测器阵列的工作方法，其特征在于，包括：
通过一个全像素单元完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高灵敏度的工作模式；
以及利用全像素单元中的半宽度像素，分别完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高分辨率的工作模式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高灵敏度的工作模式包括；
在具有P型掺杂的所述P型半宽度像素的P型掺杂区域施加反向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流减小；
在具有N型掺杂的所述N型半宽度像素的N型掺杂区域施加正向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流增大；
通过计算具有P型掺杂的所述P型半宽度像素与具有N型掺杂的所述N型半宽度像素的开态电流的变化量，获得差分电流，从而获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高灵敏度的工作模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述差分电流为一个全像素单元中两个具有不同掺杂类型的所述P型或N型半宽度像素的漏极与源极之间的导通电流。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高分辨率的工作模式包括：以每个所述P型或N型半宽度像素中开态电流的增加量或减小量，获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高分辨率的工作模式。
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