CN110797361A - 一种感光器件及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种感光器件及其驱动方法。所述感光器件包括：SOI衬底，包括：基底层；和半导体层，设置于基底层一侧表面，所述半导体层至少包括器件区；第一栅极层，设置于半导体层上与基底层相对的一侧表面；第二栅极层，设置于基底层上与半导体层相对的一侧表面；第一过孔，沿第一方向设置于器件区的两侧，所述第一过孔贯穿基底层和半导体层；第一导电层，填充于所述第一过孔内，与所述第二栅极层电连接；第二过孔，沿第二方向设置于所述器件区的两侧，所述第二过孔贯穿所述半导体层；第二导电层，填充于所述第二过孔内；第一栅介质层，设置于所述第一栅极层与所述器件区之间；第二栅介质层，设置于所述第一导电层与所述器件区之间。

Description

一种感光器件及其驱动方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种感光器件及其驱动方法。
背景技术
传统CMOS图像传感器(CIS)器件利用PN结来实现感光，通过像元内控制管部分来实现读取。但CMOS图像传感器中，PN结结构容易受到各类机制的暗电流影响，包括接触式传感器件(STI)、读取控制的MOS管的PN结等等；同时，由于背面入射等业界主流技术方案会引起产品的工艺复杂性增加，导致成本上升。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种感光器件及其驱动方法。该感光器件可以提高光至载流子密度，并提高器件的性能。
根据本发明的一个方面提供一种感光器件。所述感光器件包括：SOI衬底，所述SOI衬底包括：基底层；和半导体层，设置于所述基底层一侧表面，所述半导体层至少包括器件区；第一栅极层，设置于所述半导体层上与所述基底层相对的一侧表面；第二栅极层，设置于所述基底层上与所述半导体层相对的一侧表面；第一过孔，沿第一方向设置于所述器件区的两侧，所述第一过孔贯穿所述基底层和所述半导体层；第一导电层，所述第一导电层填充于所述第一过孔内，与所述第二栅极层电连接；第二过孔，沿第二方向设置于所述器件区的两侧，所述第二过孔贯穿所述半导体层；第二导电层，所述第二导电层填充于所述第二过孔内；第一栅介质层，设置于所述第一栅极层与所述器件区之间；第二栅介质层，设置于所述第一导电层与所述器件区之间。
可选地，所述第二栅介质层由所述半导体层延伸至所述第一栅介质层，其中，所述第二栅介质层的延伸方向上，靠近所述第一栅介质层的一端的厚度大于靠近所述第二栅极层一端的厚度。
可选地，所述第二栅介质层包括：主体部，由所述半导体层延伸至所述第一栅介质层；突出部，设置于靠近所述第一栅介质层的一端。
可选地，所述突出部向所述器件区方向突出，并且嵌入于所述器件区、与所述第一栅介质层接触。
可选地，所述突出部向所述第一导电层方向突出，并且嵌入于所述第一导电层。
可选地，所述第一栅极层为透明的石墨烯薄膜。
可选地，所述第一栅极层为透明的ITO薄膜。
可选地，所述半导体层还包括绝缘区，所述第一过孔和所述第二过孔设置于所述绝缘区。
根据本发明的另一个方面，还提供一种感光器件的驱动方法，所述感光器件的驱动方法包括：对所述第一栅极层和所述第二栅极层施加不同的电压。
可选地，施加至所述第一栅极层的电压为正电压，施加至所述第二栅极层的电压为负电压。
相比于现有技术，本发明实施例提供的感光器件的驱动方法中，由于感光器件包括贯穿SOI衬底的第一过孔，并且在第一过孔内填充第一导电层、与第二栅极层电连接，使得SOI衬底两侧的第一栅极层和第二栅极层均可对器件区进行控制，实现正面和背面双栅控制技术。并且当SOI衬底两侧的第一栅极层和第二栅极层施加不同电压时，可以分别形成正、负电荷区域，进而，当光线入射感光器件，在半导体层形成电子空穴对时，电子和空穴会分别被第一栅极层和第二栅极层吸引到正负电荷区域，从而增强载流子密度，形成光敏特性。此外，由于本发明中的感光器件的器件区的四周存在第一导电层和第二导电层，因此，该感光器件可以形成更加厚的空间耗尽区，提高光至载流子密度，并因此提高器件的性能。同时，该感光器件是单器件方案，其相对传统的感光器件而言具有噪声源更少、填充因子更大、性能更加优异等优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的一个实施例的感光器件的俯视图；
图2为图1中线A-A处的截面结构示意图；
图3为图1中线B-B处的截面结构示意图；
图4为本发明的一个实施例的感光器件的第二栅介质层与第一栅介质层靠近的位置处的局部结构示意图；
图5为本发明的另一个实施例的感光器件的第二栅介质层与第一栅介质层靠近的位置处的局部结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本发明的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明。
根据本发明的主旨构思，本发明的感光器件包括：SOI衬底，所述SOI衬底包括：基底层；和半导体层，设置于所述基底层一侧表面，所述半导体层至少包括器件区；第一栅极层，设置于所述半导体层上与所述基底层相对的一侧表面；第二栅极层，设置于所述基底层上与所述半导体层相对的一侧表面；第一过孔，沿第一方向设置于所述器件区的两侧，所述第一过孔贯穿所述基底层和所述半导体层；第一导电层，所述第一导电层填充于所述第一过孔内，与所述第二栅极层电连接；第二过孔，沿第二方向设置于所述器件区的两侧，所述第二过孔贯穿所述半导体层；第二导电层，所述第二导电层填充于所述第二过孔内；第一栅介质层，设置于所述第一栅极层与所述器件区之间；第二栅介质层，设置于所述第一导电层与所述器件区之间。
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。
请一并参见图1至图3，其中，图1示出了本发明的一个实施例的感光器件的俯视图；图2为图1中线A-A处的截面结构示意图；图3为图1中线B-B处的截面结构示意图。在本发明的实施例中，所述感光器件包括SOI衬底1、第一栅极层21、第二栅极层22、第一过孔31、第一导电层51、第二过孔32、第二导电层52、第一栅介质层61以及第二栅介质层62。
SOI衬底1包括基底层11和半导体层12。如图2所示，半导体层12设置于基底层11一侧表面，在图2所示的实施例中，半导体层12设置于基底层11的上表面。其中，半导体层12至少包括器件区121，器件区121是指当光线入射感光器件时、形成电子空穴对的区域。
第一栅极层21设置于半导体层12上与基底层11相对的一侧表面。在图2所示的实施例中，第一栅极层21设置于半导体层12的上侧，其中，第一栅极层21与半导体层12的器件区121相对应，即如图2所示的，第一栅极层21仅仅设置于器件区121的上方。在本发明的优选实施例中，第一栅极层21为透明的石墨烯薄膜，但不限于此。在本发明的其他实施例中，第一栅极层21也可以为透明的ITO薄膜。
第二栅极层22设置于基底层11上与半导体层12相对的一侧表面。在图2所示的实施例中，第二栅极层22作为背栅、设置于基底层11的下表面，并且，第二栅极层22在基底层11上的投影覆盖第一栅极层21在基底层11上的投影。其中，第二栅极层22可以为透明的ITO薄膜。
第一过孔31沿第一方向设置于器件区121的两侧。第一过孔31贯穿基底层11和半导体层12。在图1和图2所示的实施例中，第一方向是指横向，即第一过孔31设置于器件区121的左右两侧。其中，第一过孔31沿竖直方向向下延伸至第二栅极层22，向上延伸至半导体层12的上表面。
第一导电层51填充于第一过孔31内，与第二栅极层22电连接。具体来说，在图2所示的实施例中，第一导电层51完全填充第一过孔31，因此，其同样沿竖直方向延伸，其下端与第二栅极层22相接触，以实现与第二栅极层22电连接。
第二过孔32沿第二方向设置于器件区121的两侧，第二过孔32贯穿半导体层12。具体来说，第二方向是指图1所示的实施例中的上下方向(图3中的器件区121的左右两侧)。其中，第二过孔32在图3所示的实施例中，沿竖直方向向下延伸至基底层11。
第二导电层52填充于第二过孔32内。具体来说，在图3所示的实施例中，第二导电层52完全填充第二过孔32，其下端与基底层11相接触，与基底层11电连接。第二导电层52在本发明的实施例中是作为源级或漏极使用，因此,第二导电层52可以是填充金属材料，或者也可以在制造过程中通过对SOI衬底1进行掺杂后形成(例如传统半导体器件的源极或漏极，但通过该掺杂的方式形成的情况下，第二导电层52的顶端需要使用硅化物等金属实现电连接)，在此不予赘述。
第一栅介质层61设置于第一栅极层21与器件区121之间。第二栅介质层62设置于第一导电层51与器件区121之间。第二栅介质层62由半导体层12延伸至第一栅介质层21。由于第一导电层51与第二栅极层22电连接，因此，第二栅极层22通过与第一导电层51相贴的第二栅介质层62施加电压来控制第二方向上的电荷，从而可以更加利于感光器件的性能提升。此外，使用第二栅介质层使用厚度较薄的薄介质层。当正面(位于图2中的半导体12上方)的第一栅极层21和背面(位于图2中基底层11下方)的第二栅极层22施加不同电压时，可以分别形成正、负电荷区域，进而，当光线入射感光器件，在半导体层12形成电子空穴对时，电子和空穴会分别被正面的第一栅极层21和背面的第二栅极层22吸引到正负电荷区域，从而增强载流子密度，形成光敏特性。
进一步地，如图1所示，由于本发明中的感光器件的器件区121的四周存在第一导电层51和第二导电层52，因此，该感光器件可以形成更加厚的空间耗尽区，提高光至载流子密度，并因此提高器件的性能。同时，该感光器件是单器件方案，其相对传统的感光器件而言具有噪声源更少、填充因子更大、性能更加优异等优点。
进一步地，在本发明的优选实施例中，第二栅介质层62的延伸方向上(即图2和图3中的竖直方向)，靠近第一栅介质层61的一端(图2和图3中第二栅介质层62的上端)的厚度大于靠近第二栅极层22一端(图2和图3中第二栅介质层62的下端)的厚度，以此减小第一栅介质层61与第二栅介质层61靠近的位置(即图2中第二栅介质层62的上端与第一栅介质层61的左右两端处)产生的电场的影响。更具体地，请参见图4和图5，其分别示出了本发明中实现上述第二栅介质层62的延伸方向上靠近第一栅介质层61的一端的厚度大于靠近第二栅极层22一端的厚度的结构的两个不同实施例的局部结构示意图。其中，图4和图5中仅仅以图2中第一栅介质层61的左侧为例进行说明，可以理解的是，第一栅介质层61的右侧为对称的结构。
如图4所示，图4为本发明的一个实施例的感光器件的第二栅介质层与第一栅介质层靠近的位置处的局部结构示意图。具体来说，在图4所示的实施例中，第二栅介质层62包括主体部621以及突出部622。主体部621沿图4中竖直方向由半导体层12延伸至第一栅介质层61。突出部622设置于靠近第一栅介质层61的一端(即设置于第二栅介质层62的上端)。其中，突出部622向器件区122的方向突出，并且嵌入于器件区122、与第一栅介质层61接触。
如图5所示，图5为本发明的另一个实施例的感光器件的第二栅介质层与第一栅介质层靠近的位置处的局部结构示意图。具体来说，在图5所示的实施例中，第二栅介质层62包括主体部621以及突出部622。主体部621沿图5中竖直方向由半导体层12延伸至第一栅介质层61。与上述图4所示的实施例不同的是，突出部622向第一导电层51的方向突出，并且嵌入于第一导电层51。图5所示的实施例可以实现与上述图4类似地效果，在此不予赘述。
进一步地，半导体层12还包括绝缘区122。第一过孔31和第二过孔32均设置于绝缘区122中。在图2和图3所示的实施例中，绝缘区122是指半导体层12中器件区121以外的区域，在此不予赘述。
进一步地，针对上述图1至图5所示的感光器件，本发明还提供一种上述感光器件的驱动方法。该驱动方法至少包括如下步骤：对第一栅极层和第二栅极层施加不同的电压。在本发明的一个可选实施例中，施加至第一栅极层的电压可以为正电压，施加至第二栅极层的电压可以为负电压。进而，可以在半导体层的器件区分别形成正、负电荷区域，进而，当光线入射感光器件，在半导体层形成电子空穴对时，电子和空穴会分别被正面的第一栅极层和背面的第二栅极层吸引到正负电荷区域，从而增强载流子密度，形成光敏特性。
综上所述，本发明实施例提供的感光器件的驱动方法中，由于感光器件包括贯穿SOI衬底的第一过孔，并且在第一过孔内填充第一导电层、与第二栅极层电连接，使得SOI衬底两侧的第一栅极层和第二栅极层均可对器件区进行控制，实现正面和背面双栅控制技术。并且当SOI衬底两侧的第一栅极层和第二栅极层施加不同电压时，可以分别形成正、负电荷区域，进而，当光线入射感光器件，在半导体层形成电子空穴对时，电子和空穴会分别被第一栅极层和第二栅极层吸引到正负电荷区域，从而增强载流子密度，形成光敏特性。此外，由于本发明中的感光器件的器件区的四周存在第一导电层和第二导电层，因此，该感光器件可以形成更加厚的空间耗尽区，提高光至载流子密度，并因此提高器件的性能。同时，该感光器件是单器件方案，其相对传统的感光器件而言具有噪声源更少、填充因子更大、性能更加优异等优点。
虽然本发明已以可选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种感光器件，其特征在于，所述感光器件包括：
SOI衬底，所述SOI衬底包括：
基底层；和
半导体层，设置于所述基底层一侧表面，所述半导体层至少包括器件区；
第一栅极层，设置于所述半导体层上与所述基底层相对的一侧表面；
第二栅极层，设置于所述基底层上与所述半导体层相对的一侧表面；
第一过孔，沿第一方向设置于所述器件区的两侧，所述第一过孔贯穿所述基底层和所述半导体层；
第一导电层，所述第一导电层填充于所述第一过孔内，与所述第二栅极层电连接；
第二过孔，沿第二方向设置于所述器件区的两侧，所述第二过孔贯穿所述半导体层；
第二导电层，所述第二导电层填充于所述第二过孔内；
第一栅介质层，设置于所述第一栅极层与所述器件区之间；
第二栅介质层，设置于所述第一导电层与所述器件区之间。
2.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述第二栅介质层由所述半导体层延伸至所述第一栅介质层，其中，所述第二栅介质层的延伸方向上，靠近所述第一栅介质层的一端的厚度大于靠近所述第二栅极层一端的厚度。
3.如权利要求2所述的感光器件，其特征在于，所述第二栅介质层包括：
主体部，由所述半导体层延伸至所述第一栅介质层；
突出部，设置于靠近所述第一栅介质层的一端。
4.如权利要求3所述的感光器件，其特征在于，所述突出部向所述器件区方向突出，并且嵌入于所述器件区、与所述第一栅介质层接触。
5.如权利要求3所述的感光器件，其特征在于，所述突出部向所述第一导电层方向突出，并且嵌入于所述第一导电层。
6.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述第一栅极层为透明的石墨烯薄膜。
7.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述第一栅极层为透明的ITO薄膜。
8.如权利要求1所述的感光器件，其特征在于，所述半导体层还包括绝缘区，所述第一过孔和所述第二过孔设置于所述绝缘区。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述的感光器件的驱动方法，其特征在于，包括：
对所述第一栅极层和所述第二栅极层施加不同的电压。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，施加至所述第一栅极层的电压为正电压，施加至所述第二栅极层的电压为负电压。
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