CN111063702A - 一种utbb光电探测器像素单元、阵列和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；所述电荷收集层包括电荷收集控制区和电荷聚集区；所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。在电荷聚集区周围形成向心电场，光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元内。向心电场的存在提高了光电转化效率，抑制了像素间串扰，节省了浅槽隔离的面积，减小了尺寸，使其更适合于亚微米像素。

Description

一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法
技术领域
本申请涉及硅基光电探测器领域，尤其涉及一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法。
背景技术
光电成像探测器广泛用于军事、医疗、汽车、移动设备等。目前主流光电成像探测器为电荷耦合器件(Charge-coupledDevice，CCD)光电器件及CMOS-APS光电器件，CCD光电器件直接通过电荷转移进行光电探测，而CMOS-APS光电器件通过像素单元光电二极管收集电荷后转变为电压信号通过CMOS电路放大并读取。两种光电探测器件具有各自的优势和不足。但由于器件本身结构限制，两种光电探测器单个像素单元均包含多个晶体管等器件结构，使得像素尺寸局限在微米量级以上无法进一步缩小。使用单个晶体管，如超薄体及埋氧(Ultra-Thin Box and Body，UTBB)结构，能够有效降低光电探测单元的像素单元尺寸。然而目前有采用UTBB结构作为图像传感器的方案中，需要采用浅槽隔离来抑制像素间的串扰，限制了像素单元的进一步缩小。
综上所述，需要提供一种尺寸小且能够抑制串扰的光电探测器像素单元、阵列和方法。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法。
一方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；
所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；
所述电荷收集层用于形成向心电场以收集光生电荷，包括电荷收集控制区和电荷聚集区；
所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。
优选地，所述NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；
所述PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。
第二方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器阵列，包括：多个所述的光电探测器像素单元，多个所述光电探测器像素单元组成光电探测器阵列，其中所述光电探测器阵列的行数和列数都为大于等于2的自然数。
优选地，相邻的所述光电探测器像素单元的NMOS管或PMOS管使用同一个源端或漏端。
优选地，所述光电探测器阵列包括多列字线、多行位线、公共区电极和公共源极，其中，所有NMOS管的源端或PMOS管的源端与公共源极相连，电荷收集层所有的电荷收集控制区与所述公共区电极相连，每列光电探测器的栅端和与其对应的字线相连，每行光电探测器的漏极和与其对应的位线相连。
第三方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法，包括：
对电荷收集控制区施加相应电压，在电荷聚集区周围产生向心电场，入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；
对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加相应电压；
电荷聚集区之中聚集的光生载流子根据光照强度改变，从而使NMOS管或PMOS管的阈值电压和漏端电流均发生改变；
测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；
评估光照强度。
本申请的优点在于：通过在电荷聚集区周围形成向心电场，使光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元中。向心电场的存在提高了光电转化效率，抑制了像素间串扰，节省了浅槽隔离的面积，减小了尺寸，使其更适合于亚微米像素。
附图说明
通过阅读下文优选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。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的结构图；
图2是本申请提供的一种UTBB光电探测器阵列的结构图；
图3是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的步骤示意图；
图4是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的光照前后MOS管转移特性曲线图；
图5是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的光照前后相邻的P型阱和N型阱与埋氧层界面处电势分布图。
附图标记说明
1沟道 2漏端
3源端 4埋氧层
5电荷收集控制区 6电荷聚集区
7衬底 8栅端
9沟道长度 10漏端长度
11源端长度 12硅膜厚度
13埋氧层厚度 14电荷收集层深度
15硅膜层 16电荷收集层
17光
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。
根据本申请的实施方式，提出一种UTBB光电探测器像素单元，如图1所示，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；
硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；
电荷收集层包括交替排列的电荷收集控制区和电荷聚集区；
衬底包括：N型衬底或P型衬底。
NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；
PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。
NMOS管和PMOS管的沟道长度为20至100纳米，源端长度为20至90纳米，漏端长度为20至90纳米。
硅膜层的硅膜厚度为5至20纳米。
埋氧层厚度为10至30纳米。
电荷收集层的深度为50至1000纳米。
电荷收集层包括至少一个电荷聚集区。即每个像素单元必须包括一个用于产生向心电场并聚集光生电荷的电荷聚集区。
硅膜层可以全部使用NMOS管，也可以全部使用PMOS管，且使用NMOS管或PMOS管不影响其他层(如电荷收集层交替排列的电荷收集控制区和电荷聚集区)以及衬底(N型衬底或P型衬底)的布置。
电荷聚集区、电荷收集控制区与硅膜层的MOSFET在横向方向上的相对位置可以调整。
电荷收集层的结构不限于P型阱和N型阱交替排列结构。
P型阱和N型阱的掺杂浓度和面积可以分别调整。
如图1所示，以硅膜层使用NMOS管，电荷收集控制区为N型阱，电荷聚集区为P型阱，且衬底为N型衬底为例，则每个像素单元必须包括一个电荷聚集区，此电荷聚集区的位置可以在像素单元的中心，也可以不在像素单元的中心。
在本申请的另一种实施方式中，电荷收集层中的电荷收集控制区还可以为P型阱，同时，电荷聚集区为N型阱。
电荷收集层中的电荷收集控制区以及电荷聚集区还可以包括用于形成异质结等其他结构的物质。
PN结由一个N型阱和一个P型阱紧密接触构成。
如图1所示，P型阱与N型阱之间形成横向PN结，P型阱和N型衬底之间形成纵向PN结，两者共同作用下形成如图1箭头所示的向心电场。光线由器件上方入射进入光电探测器，在阱与衬底中产生光生电荷，光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元中。
P型阱与N型阱可以交换，即在P型阱上施加相应电压，用N型阱收集光生电荷。图1所示，为使P型阱产生向心电场，这种情况是使用N型衬底，并对N型阱施加电压。若想要在N型阱产生向心电场，则需要在P型阱施加电压，同时衬底需要使用P型衬底。
其中，光线可以从光电探测器像素单元的上方和/或下方入射(照射)。
在电荷聚集区周围形成向心电场的方法包括但不限于：在电荷收集层中形成交替排列的N型阱和P型阱分别作为电荷收集控制区和电荷聚集区，在P型阱与N型阱之间形成横向PN结，在P型阱和N型衬底之间形成纵向PN结，横向PN结和纵向PN结电场共同形成向心电场，还可以通过形成异质结等其他结构形成向心电场。
第二方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器阵列，如图2所示，包括：多个光电探测器像素单元，多个光电探测器像素单元组成光电探测器阵列，其中光电探测器阵列的行数和列数都为大于等于2的自然数。
相邻的光电探测器像素单元的NMOS管或PMOS管使用同一个源端或漏端。图1中包括3个像素单元，相邻的NMOS管或PMOS管共享源端和漏端。
光电探测器阵列包括多列字线、多行位线、公共区电极和公共源极，其中，所有NMOS管的源端或PMOS管的源端与公共源极相连，电荷收集层的所有电荷收集控制区与公共区电极相连，每列光电探测器的栅端和与其对应的字线相连，每行光电探测器的漏极和与其对应的位线相连。
以硅膜层使用NMOS管为例，对本申请的实施方式进行进一步说明。
所有NMOS管源端接公共源极Vs并置0电位，衬底中所有电荷收集控制区(在本示例中为N型阱)接公共区电极(公共N区电极Vn)，每列器件(光电探测器像素单元)的栅端共接字线，每行器件漏端共接位线。器件复位时，所有字线置0电位，所有位线置0电位，N型阱置负电位。信号收集时，所有字线和位线保持0电位，N型阱置正电位。信号读取时，所有位线置为+Vdd,依次选每列字线，选中的字线电位置为+Vdd，通过位线读取每个NMOS管的信号电流。
第三方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法，如图3所示，包括：
S101，对电荷收集控制区施加相应电压，使入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；
S102，对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加正电压；
S103，电荷聚集区中聚集的光生空穴根据光照强度改变，从而使NMOS管或PMOS管的阈值电压和漏端电流均发生改变；
S104，测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；
S105，评估(测量)光照强度。
对电荷收集控制区施加的电压根据其具体采用的结构与物质进行改变。
以硅膜层使用NMOS管，电荷收集控制区为N型阱，电荷聚集区为P型阱，衬底为N型衬底为例，对本申请的实施方式进行进一步说明。
对电荷收集层的电荷收集控制区加正电压，使入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；
对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加正电压；
电荷聚集区之中聚集的光生载流子根据光照强度改变，从而使NMOS管阈值电压和漏端电流均发生改变；
测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；
评估光照强度。
以硅膜层使用NMOS管，电荷收集控制区为P型阱，电荷聚集区为N型阱，衬底为N型衬底为例，对本申请的实施方式进行进一步说明。
对电荷收集层的电荷收集控制区加负电压，使入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；
对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加负电压；
电荷聚集区之中聚集的光生载流子根据光照强度改变，从而使NMOS管的阈值电压和漏端电流均发生改变；
测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；
评估光照强度。
光生空穴和光生电子是由于半导体材料收到光的激发时产生的，统称光生载流子。光生载流子在PN结自建电场的作用下分离。
对N型阱施加正向电压，则光生空穴在向心电场的作用下进入P型阱。
本申请实施例的探测方法主要分为复位、收集和读出三个过程。以硅膜层使用NMOS管为例，相应的电极偏置条件如表1所示。
表1
复位 收集 读取
NMOS管栅端电压 0 0 +Vdd
NMOS管漏端电压 0 0 +Vdd
NMOS管源端电压 0 0 0
N型阱电压 Vreset +Vdd +Vdd
在复位阶段，MOS管的源、漏和栅极电压为零，使MOS管处于关断状态。N型阱端施加一个复位脉冲信号Vreset将PN结正偏，正偏电流向浮置的P型阱注入电荷并将P型阱电压复位至初始电压。
在收集阶段，器件进行曝光，N型阱端电压置为+Vdd，将PN结反偏。入射光在器件下方的PN结中产生光生载流子，光生载流子在PN结自建电场的作用下分离。在向心电场的作用下，光生空穴进入P型阱，并在埋氧层下聚集。
在读取阶段，通过埋氧层上方MOSFET漏端电流来读出光信号。NMOS管栅电极(栅端)及漏电极(漏端)均置正电压。埋氧层下方聚集的光生空穴将埋氧层与衬底界面处的电势抬升，并通过埋氧层作用于上方MOSFET器件沟道，埋氧层形成类似于电容器的结构，使NMOS管器件沟道中的反型载流子增多，阈值电压减小。如图4所示，不同光照强度下，埋氧层下方衬底聚集的正电荷量不同，从而MOSFET器件阈值电压不同，漏端电流不同。通过测量埋氧层上方MOSFET漏端电流可以间接评估光照强度。
光照前后MOSFET器件转移特性曲线如图4所示。
光照前后相邻的P型阱和N型阱与埋氧层界面处电势分布如图5所示。
本申请的实施方式中，通过在电荷聚集区周围形成向心电场，使光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元中。电荷收集层中交替排列的电荷收集控制区和电荷聚集区可以为N型阱(N型掺杂区)和P型阱(P型掺杂区)，衬底包括的N型衬底或P型衬底，在P型阱与N型阱之间形成横向PN结，在P型阱和N型衬底之间形成纵向PN结，两者共同作用下形成向心电场，光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元中。向心电场的存在提高了光电转化效率，抑制了像素间串扰，节省了浅槽隔离的面积，减小了尺寸，使其更适合于亚微米像素。向心电场能够使电荷主动向对应像素单元中聚集；聚集在埋氧层下方的光生电荷通过背栅调制效应影响MOSFET的电学特性。基于UTBB及向心电场的光电探测器阵列结构：每行像素共用源漏的阵列排布方式避免了浅槽隔离，提高了像素密度。每个像素单元仅需单个器件能完成感光功能，能有效减小像素单元尺寸。采用向心电场收集光生电荷，横向电场与纵向电场共同作用，使得光生电子可以漂移并聚集在埋氧层下方。通过向心电场收集光生电荷并抑制串扰，并采用共用源漏的阵列排布方式，节省了浅槽隔离的面积，使其更适合于亚微米像素。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种UTBB光电探测器像素单元，其特征在于，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；
所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；
所述电荷收集层用于形成向心电场以收集光生电荷，包括电荷收集控制区和电荷聚集区；
所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。
2.如权利要求1所述的光电探测器像素单元，其特征在于，所述NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；
所述PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。
3.一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，包括：多个权利要求1-7任意一项所述的光电探测器像素单元，多个所述光电探测器像素单元组成光电探测器阵列，其中所述光电探测器阵列的行数和列数都为大于等于2的自然数。
4.如权利要求3所述的光电探测器阵列，其特征在于，相邻的所述光电探测器像素单元的NMOS管或PMOS管使用同一个源端或漏端。
5.如权利要求3所述的光电探测器阵列，其特征在于，所述光电探测器阵列包括多列字线、多行位线、公共区电极和公共源极，其中，所有NMOS管的源端或PMOS管的源端与公共源极相连，电荷收集层所有的电荷收集控制区与所述公共区电极相连，每列光电探测器的栅端和与其对应的字线相连，每行光电探测器的漏极和与其对应的位线相连。
6.一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法，其特征在于，包括：
对电荷收集控制区施加相应电压，在电荷聚集区周围产生向心电场，入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；
对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加相应电压；
电荷聚集区之中聚集的光生载流子根据光照强度改变，从而使NMOS管或PMOS管的阈值电压和漏端电流均发生改变；
测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；
评估光照强度。
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