CN111787247A - 倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的emccd - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种能够提高EMCCD响应线性度的结构，具体涉及倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD；所述倍增寄存器结构，包括衬底和位于衬底之上的埋沟；在埋沟上覆盖有栅介质，在栅介质上形成有第一电极Ф1、第二电极Фdc、第三电极Фem和第四电极Ф3；这四个电极依次对应为第一转移相、直流相、倍增相以及第二转移相；将倍增相对应的埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟，所述倍增埋沟用于电荷倍增；所述电荷埋沟用于存储倍增后的电荷；本发明提供了倍增寄存器结构以及EMCCD，将倍增寄存器分成两部分，一部分用来倍增，一部分用来存储电荷，这样可以有效避免倍增电场的降低。

Description

倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种能够提高EMCCD响应线性度的结构，具体涉及倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD。
背景技术
雪崩倍增效应在半导体器件中很常见，在硅半导体中，当电子经过高于105V/cm的电场时，便会发生雪崩倍增。一般电荷耦合器件(Charge-coupled Device，简称CCD)施加10V驱动电压便可产生105V/cm的电场，因此，普通CCD中也存在雪崩倍增效应，由于倍增率很低，不容易被我们发现。电子倍增CCD(Electron-Multiplying，简称EMCCD)就是通过在转移电极上施加高电压，使得载流子发生雪崩倍增，倍增率高于普通CCD的倍增率，从而实现电子倍增。
EMCCD与普通CCD不同之处是在水平寄存器和读出放大器之间增加了一串倍增寄存器，信号电子在倍增寄存器中实现倍增放大，极微弱光信号经过倍增寄存器放大后被读出放大器读出，使得CCD器件探测灵敏度不再受读出放大器噪声限制，提高CCD器件的探测灵敏度。倍增寄存器利用电荷的“碰撞电离”效应实现对信号电子的倍增放大，因此EMCCD技术也称为“片上增益”技术，是真正意义上的全固态微光成像器件。
EMCCD倍增寄存器结构如图1所示。其中电极Ф1和Ф3由标准幅值时钟驱动(约10V)，Фdc为直流相(直流电平约2V)，Ф2加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多(约40～50V)，由于Ф2和Фdc间巨大的电压差，在Ф2和Фdc间产生巨大的电场强度使得电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，也称作雪崩倍增效应，产生新的电子，即所谓的倍增或增益。
倍增寄存器倍增时电势分布如图2所示，倍增相Ф2和直流相Фdc之间巨大的电压差，产生巨大的电场强度使得电子从价带跃迁到导带，在CCD电荷转移过程中发生“撞击离子化效应”，离化系数(也称为离化率)为电子或空穴沿着电场方向加速运动时，因碰撞离化而产生新的电子-空穴对所需经过的平均距离的倒数。离化率αn的大小取决于倍增电场的大小，如下式(1)所示：
αn＝Anexp(-bn/E) (1)
其中An、bn为经验值，倍增电场E由下式(2)表示：
E＝ΔV/w (2)
W为倍增电场宽度，ΔV为Фem和Фdc间埋沟电势差。
倍增电场区内产生电子数由下式(3)表示：
dn(x)/dx＝αn(x)n(x) (3)
αn(x)为x处的电离率，n(x)为x处的电子数。
Figure BDA0002548519170000021
则倍增电场宽度为W的区域内增益g为：
Figure BDA0002548519170000022
将倍增电场E的公式(2)和电离率公式(1)代入增益公式(5)则得到增益和电势差的公式：
Figure BDA0002548519170000023
根据CCD埋沟电势理论，ΔV是Фem相和Фdc相埋沟电势差，同时ΔV受倍增相下填充电子数量影响，随着倍增相下不断填充电子，ΔV逐渐降低，填充电子数越多，ΔV降低的越多，如图3所示。相应的，ΔV降低，倍增电场随着降低，增益随之降低。
同一个电荷包中的电子经过倍增寄存器，先经过倍增电场的电荷倍增后存储在倍增寄存器，引起倍增电场降低，使得后经过倍增电场的电荷增益降低，因此同一个电荷包中先后倍增的电子倍增倍数不同。相同的倍增电压，电荷包越大，倍增倍数差异越大。同一个电荷包，倍增电压越大，倍增倍数越高，电荷包倍增后电场降低的程度越大，倍增倍数差异越大。因此，倍增前电荷包越大，增益倍数越大，器件响应非线性度越差。
发明内容
由于增益的不稳定性，导致器件响应线性度明显降低，严重影响其在精确测量方面的应用，如光子计数、光谱观测及快速测光等领域；为了克服器件增益的不稳定性的问题，提高EMCCD响应线性度，本发明提供了倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD，将倍增寄存器分成两部分，一部分用来倍增，一部分用来存储电荷，这样可以有效避免倍增电场的降低。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，包括衬底和位于衬底之上的埋沟；在埋沟上覆盖有栅介质，在栅介质上形成有第一电极Ф1、第二电极Фdc、第三电极Фem和第四电极Ф3；这四个电极依次对应为第一转移相、直流相、倍增相以及第二转移相；将埋沟按照各电极划分出对应的第一埋沟、第二埋沟、第三埋沟以及第四埋沟；将第三电极Фem的倍增相向下对应的第三埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟，所述倍增埋沟用于电荷倍增；所述电荷埋沟用于存储倍增后的电荷，且所述电荷埋沟的深度大于所述倍增埋沟的深度。
进一步的，所述衬底设置为P型衬底，所述埋沟设置为N型埋沟。
可选的，所述衬底设置为N型衬底，所述埋沟设置为P型埋沟。
进一步的，所述倍增埋沟的浓度与其他埋沟的浓度一致，所述电荷埋沟的浓度略高于倍增埋沟的浓度，其中，其他埋沟包括第一埋沟、第二埋沟以及第四埋沟。
优选的，电荷埋沟的浓度比倍增埋沟浓度高1/3～1倍。
可选的，倍增相中倍增埋沟设置为N-正常浓度，倍增相中电荷埋沟设置为N+加注磷，且电荷埋沟的浓度略高于整体埋沟的浓度。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种提高响应线性度的EMCCD，包括存储区、光敏区、水平寄存器和读出放大器，在所述水平寄存器和所述读出放大器之间安装有多个上述倍增寄存器结构，且这多个倍增寄存器结构串接。
本发明的有益效果：
本发明将倍增寄存器原有的倍增相分为两部分，一部分用于正常的倍增，另一部分用于存储电荷；正常的倍增可以有效的利用倍增电场对电荷进行倍增；而存储电荷则可以存储倍增后的大量电荷；由于将倍增埋沟即倍增电场的电荷转移至电荷埋沟中，所以在倍增埋沟中的电荷总体数量基本处于稳定状态；因此不会由于倍增的先后顺序，导致在同一个电荷包中倍增的电子倍增倍数不同，使得后倍增的倍增电场降低；本发明有效避免了倍增电场的大幅度降低，保证了增益的稳定，提高响应线性度。
附图说明
图1为传统的倍增寄存器结构图；
图2为传统的倍增寄存器结构倍增时电势分布示意图；
图3为传统的倍增寄存器结构中倍增相下填充电子后电势分布示意图；
图4为本发明的倍增寄存器结构图；
图5为本发明的倍增寄存器埋沟电势分布图；
图6为本发明提供的一种EMCCD结构。
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。
图4是本发明采用的一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，包括衬底和位于衬底之上的埋沟；在埋沟上覆盖有栅介质，在栅介质上形成有第一电极Ф1、第二电极Фdc、第三电极Фem和第四电极Ф3；这四个电极依次对应为第一转移相、直流相、倍增相以及第二转移相；将埋沟按照各电极划分出对应的第一埋沟、第二埋沟、第三埋沟以及第四埋沟；将第三电极Фem的倍增相向下对应的第三埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟，所述倍增埋沟用于电荷倍增；所述电荷埋沟用于存储倍增后的电荷，且所述电荷埋沟的深度大于所述倍增埋沟的深度。
其中，第一转移相和第二转移相均为正常转移相，本领域技术人员可以参考现有技术进行相应设置。
在一个实施例中，关于埋沟划分，第一埋沟、第二埋沟、第三埋沟以及第四埋沟这四个埋沟的深度可以各不相同，但一般情况下，第一埋沟和第四埋沟的深度可以设置一致，第二埋沟的深度位于第一埋沟(第四埋沟)和第三埋沟之间；第三埋沟由于作为倍增，其深度为所有埋沟中最深的；这里的深度都是指的埋沟底部距离栅介质的高度。
对于本发明而言，主要是对第三埋沟进行了改进，本发明中的第三埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟；其中倍增埋沟的深度低于电荷埋沟的深度，使得电荷埋沟可以有效存储电荷。由于倍增埋沟只负责倍增，因此在倍增功能正常的前提下，本发明对其面积不做特殊限定。而电荷埋沟负责存储电荷，因此电荷埋沟面积越大越好。也就是说，在倍增相面积一定时，倍增埋沟在保证倍增功能正常的前提下，面积最好尽可能小，这样电荷埋沟面积才可能尽可能大，能够存储更多的倍增电荷。
其中，所述衬底设置为P型衬底，所述埋沟设置为N型埋沟。所述倍增埋沟的浓度与其他埋沟的浓度一致，所述电荷埋沟的浓度略高于其他埋沟的浓度。
倍增相中倍增埋沟设置为N-正常浓度，倍增相中电荷埋沟设置为N+加注磷，且电荷埋沟的浓度略高于整体埋沟的浓度。
经过上述设置，本发明倍增寄存器结构的埋沟电势分布如图5所示，本发明通过在倍增相中电荷埋沟设置为N+加注磷使得电荷埋沟的浓度高于倍增埋沟的浓度，在电场的作用下，倍增电荷将会向具有高电势的电荷埋沟移动；后半部分的电荷埋沟电势略高于前半部分，经过倍增后电荷将会存储于后半部分，有效避免了倍增电场的降低，保证了增益的稳定，提高响应线性度。
考虑到倍增电荷移动到电荷埋沟后会导致电荷埋沟处的电势逐渐降低，所以本实施例可以通过设置电荷容量的方式来确保倍增寄存器结构在有效范围内的正常使用。
在一个优选实施例中，为了更好的增大电荷容量，本发明将电荷埋沟设置为敞口结构，可以更为有效的接收并存储倍增电荷。
作为一个可能实现的实施例，可以在电荷埋沟的表面涂覆一层较薄的N+离子，用于保持倍增埋沟与电荷埋沟间的电势差，便于倍增电荷流入电荷埋沟中。
上述实施例的基础都是在衬底为P型衬底，所述埋沟为N型埋沟之上，而所述衬底为N型衬底，所述埋沟为P型埋沟的设置可以基于上述实施例进行相应的调整。
图6是本发明提供的一种提高响应线性度的EMCCD，包括存储区、光敏区、水平寄存器和读出放大器，在所述水平寄存器和所述读出放大器之间安装有多个上述倍增寄存器结构，且这多个倍增寄存器结构串接。
可以理解的是，本发明中倍增寄存器结构以及该EMCCD的相应特征可以相互引用，本发明不再一一例举。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，包括衬底和位于衬底之上的埋沟；在埋沟上覆盖有栅介质，在栅介质上形成有第一电极Ф1、第二电极Фdc、第三电极Фem和第四电极Ф3；这四个电极依次对应为第一转移相、直流相、倍增相以及第二转移相；其特征在于，将埋沟按照各电极划分出对应的第一埋沟、第二埋沟、第三埋沟以及第四埋沟；将第三电极Фem的倍增相向下对应的第三埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟，所述倍增埋沟用于电荷倍增；所述电荷埋沟用于存储倍增后的电荷，且所述电荷埋沟的深度大于所述倍增埋沟的深度。
2.根据权利要求1所述的一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，其特征在于，所述衬底为P型衬底，所述埋沟为N型埋沟或者所述衬底为N型衬底，所述埋沟为P型埋沟。
3.根据权利要求1所述的一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，其特征在于，所述倍增埋沟的浓度与其他埋沟的浓度一致，所述电荷埋沟的浓度略高于倍增埋沟的浓度，其中，其他埋沟包括第一埋沟、第二埋沟以及第四埋沟，电荷埋沟的浓度比倍增埋沟浓度高1/3～1倍。
4.根据权利要求3所述的一种提高EMCCD响应线性度的倍增寄存器结构，其特征在于，在所述电荷埋沟处加注磷用于提高电荷埋沟浓度。
5.一种提高响应线性度的EMCCD，包括存储区、光敏区、水平寄存器和读出放大器，其特征在于，在所述水平寄存器和所述读出放大器之间安装有多个如权利要求1～4任一所述的倍增寄存器结构。
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