CN110676279A - 一种高量子效率ccd结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电荷耦合器件技术领域，具体涉及一种高量子效率CCD结构，包括：第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组，每个垂直分组包括垂直CCD多晶硅栅、第一蓝光窗口和第二蓝光窗口，所述垂直CCD多晶硅栅包括至少四根多晶硅条，且每根多晶硅条上设置有接触孔；两个蓝光窗口分别位于垂直CCD多晶硅栅的左、右两侧形成双蓝光窗口像元架构；两个蓝光窗口各自按照左右分割的方式均匀分成三个面积等大的区域；不同垂直分组之间通过金属引线连接接触孔实现电学互联。本发明可解决大尺寸像元信号收集问题，可改善大尺寸帧转移CCD以及TDICCD量子效率，同时保证CCD满阱容量、动态范围、转移效率等特性不会退化。
Description
技术领域
本发明涉及电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)技术领域，具体涉及一种高量子效率CCD结构。
背景技术
电荷耦合器件CCD是一种微型图像传感器，由于CCD图像传感器具有固定图像噪声小、暗电流小、重量轻、光响应灵敏度高、动态范围高、光谱响应范围宽、高的几何稳定性、好的响应线性度等特点，已在航空航天遥感、地面光电装备以及民用摄像等领域得到广泛应用。通过特殊设计研制的CCD，可满足超高帧频、高量子效率、宽动态范围的成像需求。量子效率定义为CCD芯片在某特定波长下，入射光在器件像元中产生并被收集的电子数与入射光子数的比值。它表征了CCD芯片对入射光的响应程度，是波长的函数。影响量子效率的因素很多，其中CCD芯片的几何结构、感光面分布情况、材料等因素都会直接影响器件量子效率。量子效率是对CCD芯片成像质量的一种微观描述，也是描述CCD芯片性能最重要的参数之一。
现有航天用CCD希望其量子效率、满阱容量高，一般会采用大尺寸像元开单一蓝光窗口来实现，但是单一蓝光窗口大尺寸像元存在信号收集难于控制的问题，影响器件整体性能。
发明内容
基于上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种高量子效率CCD结构。
一种高量子效率CCD结构，包括：第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组，每个垂直分组包括垂直CCD多晶硅栅、第一蓝光窗口和第二蓝光窗口，所述垂直CCD多晶硅栅包括至少四根多晶硅条，从上到下分别为第一多晶硅条、第二多晶硅条、第三多晶硅条、第四多晶硅条，且每根多晶硅条上设置有2个接触孔；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口分别位于垂直CCD多晶硅栅的左、右两侧，从而形成双蓝光窗口像元架构；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口各自按照左右分割的方式，均匀分成三个面积等大的区域，分别是分区1、分区2和分区3；不同垂直分组之间通过金属引线连接接触孔实现电学互联。
进一步的，第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组从上到下依次连接，且该四个分组的结构相同。
进一步的，每根多晶硅条上的接触孔的设置方式包括：每根多晶硅条上均设置有两个接触孔，接触孔呈矩形结构，且四个分组的垂直CCD多晶硅栅上接触孔位置相同。
进一步的，不同分组之间的电学互联方式包括：各个垂直分组中第一多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第二多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第三多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第四多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，从而实现电学互联。
进一步的，别向蓝光窗口的三个分区内注入不同浓度梯度的磷离子形成电势梯度，加速蓝光窗口中的信号进入垂直CCD，提高信号收集效率，改善CCD量子效率特性。
进一步的，分区1、分区2和分区3注入的磷离子浓度分别是2.5e12cm-2、3.0e12cm-2、3.5e12cm-2。
进一步的，采用离子注入机实现三个分区的磷离子注入，所述离子注入机的注入能量值设置为250keV。
本发明的有益效果：
本发明提供一种高量子效率CCD结构，两个蓝光窗口分别位于垂直CCD左、右两侧，通过分区注入形成非均匀双蓝光窗口像元架构，实现蓝光信号的有效收集；另一方面，垂直CCD多晶硅栅电极通过金属引线实现电学互联，实现电信号在沟道中有效的转移。本发明可解决大尺寸像元信号收集问题，可改善大尺寸帧转移CCD以及TDICCD量子效率；同时保证CCD满阱容量、动态范围、转移效率等特性不会退化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明实施例的一种高量子效率CCD结构示意图。
图2是仙童正照TDICCD器件量子效率曲线；
图3是本发明实施例的CCD量子效率曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高量子效率CCD结构，包括：第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组，每个垂直分组包括垂直CCD多晶硅栅、第一蓝光窗口和第二蓝光窗口，所述垂直CCD多晶硅栅包括至少四根多晶硅条，从上到下分别为第一多晶硅条、第二多晶硅条、第三多晶硅条、第四多晶硅条，且每根多晶硅条上设置有2个接触孔；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口分别位于垂直CCD多晶硅栅的左、右两侧，从而形成双蓝光窗口像元架构；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口各自按照左右分割的方式，均匀分成三个面积等大的区域，分别是分区1、分区2和分区3；不同垂直分组之间通过金属引线连接接触孔实现电学互联。
进一步的，第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组从上到下依次连接，且该四个分组的结构相同。
进一步的，每根多晶硅条上的接触孔的设置方式包括：每根多晶硅条上均设置有两个接触孔，接触孔呈矩形结构，且四个分组的垂直CCD多晶硅栅上接触孔位置相同。
进一步的，不同分组之间的电学互联方式包括：各个垂直分组中第一多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第二多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第三多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第四多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，从而实现电学互联。
进一步的，分别向两个蓝光窗口的3个区域内注入不同浓度梯度的磷离子形成电势梯度，加速蓝光窗口中的信号进入垂直CCD，提高信号收集效率，改善CCD量子效率特性。
进一步的，分别向两个蓝光窗口的3个分区注入磷离子，一方面有利于形成深结pn结，从而增加入射光吸收区深度，更加有利于光信号的收集；另一方面基于形成的电势梯度，加速蓝光窗口中的信号进入垂直CCD，提高信号收集效率，改善CCD量子效率特性。
进一步的，向蓝光窗口的三个区域内注入磷离子浓度分别是2.5e12cm-2、3.0e12cm-2、3.5e12cm-2。此浓度注入，一方面有利于形成有效空间电荷区域；另一方面保证该区域不会因为磷注入浓度过高，使得空间电荷区域发生击穿，影响器件正常工作。
进一步的，采用离子注入机实现三个分区的磷离子注入，所述离子注入机的注入能量值设置为250keV，通过离子注入机以250keV中等注入能量向两个蓝光窗口的3个区域进行磷离子注入，控制pn结深在0.5μm左右，有利于蓝光波段入射光的吸收，提高CCD量子效率。
进一步的，所述2个接触孔之间的间距是2μm。
进一步的，所述金属引线优选的金属是铝。
从图1可以看出，垂直CCD结构总共有16根多晶硅条，每四根多晶硅条，如图1中的CI1_1B、CI2_1B、CI3_1B、CI4_1B构成一组，一共四组，分别是第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组以及第四垂直分组。
器件工作时，在像元区域、蓝光窗口区域、多晶硅覆盖的非蓝光区域接受来自外界的入射光，多晶硅会吸收蓝光波段的入射光，使得大部分该波段的入射光不能进入硅衬底产生光电子，影响量子效率特性，因此一般会通过设计单蓝光窗口提高CCD量子效率，但是针对大尺寸像元CCD，单一“蓝光窗口”大尺寸像元带来的问题是其信号收集难于控制，影响器件整体性能。
本发明所采用的“非均匀注入双蓝光窗口”CCD，当入射光照射时，蓝光窗口吸收蓝光波段的入射光，在蓝光窗口中产生的光电子，随后光电子进入垂直CCD。本发明“非均匀注入双蓝光窗口”的设计，一方面使得在蓝光窗口中产生的光电子路由路径减半，有利于光电子进入垂直CCD；另一方面，非均匀注入磷离子形成的浓度梯度产生电势梯度，进一步确保产生的光电子有效、快速的进入垂直CCD，随之通过垂直CCD的转移进入水平CCD，最后通过输出放大器读出，器件整体量子效率得到有效改善。
本发明所设计的“非均匀双蓝光窗口”CCD，相比于单一蓝光窗口设计，具有两方面的优势：一是“双蓝光窗口”设计使得光电子路由路径减半，确保产生的光电子在有限的积分时间之内得到有效的收集，从而提高量子效率；二是非均匀注入形成浓度，进而产生电势梯度，有利于在有限的积分时间内加速光电子的收集，进一步改善光电子收集效率，提高CCD量子效率，因此本发明所设计的非均匀双蓝光窗口CCD可以有效的提高量子效率，特别是蓝光波段的量子效率。
本发明量子效率的测量可以通过CCD GJB7951-2012所述方法实现。
测试结果如图2和图3所示：图2所示为国外仙童正照TDICCD器件的量子效率曲线，国外仙童正照TDICCD器件蓝光波段平均量子效率为7％；图3所示为采用了本发明的自研210μm×210μmCCD量子效率，在蓝光波段(400nm～500nm)平均量子效率为60％；对比结果可以发现，本发明的非均匀双蓝光窗口CCD可有效提升量子效率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“顶部”、“中部”、“上”、“一侧”、“内”、“外”、“左”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高量子效率CCD结构，包括：第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组，每个垂直分组包括垂直CCD多晶硅栅、第一蓝光窗口和第二蓝光窗口，其特征在于，所述垂直CCD多晶硅栅包括至少四根多晶硅条，从上到下分别为第一多晶硅条、第二多晶硅条、第三多晶硅条、第四多晶硅条，且每根多晶硅条上设置有2个接触孔；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口分别位于垂直CCD多晶硅栅的左、右两侧，从而形成双蓝光窗口像元架构；所述第一蓝光窗口和第二蓝光窗口各自按照左右分割的方式，均匀分成三个面积等大的区域，分别是分区1、分区2和分区3；不同垂直分组之间通过金属引线连接接触孔实现电学互联。
2.根据权利要求1所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，第一垂直分组、第二垂直分组、第三垂直分组、第四垂直分组从上到下依次连接，且该四个分组的结构相同。
3.根据权利要求1所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，每根多晶硅条上的接触孔的设置方式包括：每根多晶硅条上均设置有两个接触孔，接触孔呈矩形结构，且四个分组的垂直CCD多晶硅栅上接触孔位置相同。
4.根据权利要求1所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，不同分组之间的电学互联方式包括：各个垂直分组中第一多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第二多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第三多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，各个垂直分组中第四多晶硅条的接触孔之间通过金属引线连接，实现电学互联。
5.根据权利要求1所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，分别向蓝光窗口的三个分区内注入不同浓度梯度的磷离子形成电势梯度。
6.根据权利要求5所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，分区1、分区2和分区3注入的磷离子浓度分别是2.5e12cm-2、3.0e12cm-2、3.5e12cm-2。
7.根据权利要求6所述的一种高量子效率CCD结构，其特征在于，采用离子注入机实现三个分区的磷离子注入，所述离子注入机的注入能量值设置为250keV。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200110 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |