CN112366212A - 一种光收集效率高的emccd及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光收集效率高的EMCCD制作方法，采用时域有限差分算法计算全电介质周期性图形排列与入射光作用、光波相位变化、光波聚焦特性，设计具有入射光波前调控实现光波相位匹配功能的全电介质周期性平面图形。全电介质周期性平面图形的制造是应用与EMCCD制程匹配兼容的半导体工艺，主要工艺步骤包括EMCCD晶圆清洗、表面电介质生长、介质表面平坦化、硅膜沉积、介质生长、光刻胶旋涂前烘、显影定影坚膜、光刻刻蚀等完成EMCCD表面全电介质周期性图形的制作。通过制作加工全电介质周期性图形能够对入射光进行准直平行处理，改变入射光在EMCCD表面响应情况达到高效光吸收，提高了EMCCD光收集效率。
Description
技术领域
本发明涉及电子倍增CCD技术领域，具体地涉及一种光收集效率高的EMCCD及其制作方法。
背景技术
电子倍增CCD（EMCCD），是探测领域内灵敏度极高的一种高端光电探测产品。EMCCD是通过在信号转移水平路径上设计级联的倍增移位寄存器实现信号电荷的可控雪崩增益，实现CCD电荷倍增的功能。
现有EMCCD像元采用MOS电容或光电二极管，存在的问题是：无论是MOS电容还是光电二极管都存在表面有多晶硅或金属覆盖，造成像元占空比小和像元量子效率低的问题，这些问题直接影响了EMCCD的光收集效率，从而严重降低了EMCCD在微弱光环境中获取图像的细节信息的能力。本发明因此而来。
发明内容
针对当前EMCCD设计制作过程中，由于像元受到部分时钟电极遮蔽，不能高效进行入射光收集影响EMCCD在微弱光环境中应用的技术问题，本发明目的是：提供了一种光收集效率高的EMCCD及其制作方法，在EMCCD芯片表面制作出全电介质周期性平面图形，通过制作加工全电介质周期性图形能够对入射光进行准直平行处理，改变入射光在EMCCD表面响应情况达到高效光吸收，提高了EMCCD光收集效率。
本发明的技术方案是：
一种光收集效率高的EMCCD，包括EMCCD芯片，所述EMCCD芯片的入射光面设置有全电介质周期性平面图形结构，所述全电介质周期性平面图形结构包括EMCCD杂质系统、EMCCD隔离介质系统、EMCCD电极系统、EMCCD表面介质系统和EMCCD表面周期性图形。
优选的技术方案中，所述全电介质周期性平面图形结构的制作方法包括：EMCCD表面电介质生长、介质表面平坦化处理、表面膜层淀积、多级缓冲层制备、周期性平面图形转移、图形光刻、图形刻蚀。
优选的技术方案中，所述全电介质周期性平面图形结构包括多个EMCCD全电介质单元结构，所述EMCCD全电介质单元结构呈周期性阵列分布，通过调整不同EMCCD全电介质单元结构的角度调整入射光振动的电场矢量和磁场矢量获得入射光在EMCCD表面发生相位突变，控制光的入射参数聚焦入射光能量。
优选的技术方案中，所述EMCCD全电介质单元结构包括底部的硅氧化物本体和设置于底部硅氧化物本体上的高纵横比的椭圆柱体，所述椭圆柱体由硅膜制作。
优选的技术方案中，所述EMCCD全电介质单元结构包括由硅膜制作的长方体结构，不同的长方体结构按照一定的角度偏转。
优选的技术方案中，所述EMCCD全电介质单元结构包括由硅膜制作的V形结构，调整V形角度和位置调整入射光幅度和相位的调控能力。
本发明还公开了一种光收集效率高的EMCCD制作方法，包括以下步骤：
S01：将天空辐射光谱作为EMCCD输入计算EMCCD光响应率；
S02：根据EMCCD光响应率采用时域有限差分算法计算入射光在EMCCD介质界面处光波的电磁特征；
S03：根据得到的电磁特征设计全电介质周期性平面图形结构，所述全电介质周期性平面图形结构用于光波相位调制和光波会聚。
优选的技术方案中，所述步骤S01中EMCCD光响应率的计算方法包括，根据EMCCD典型应用环境建立天空辐射光谱资料库，对天空辐射光谱资料库中数据进行筛选统计分析，确定EMCCD通用光谱辐射作为光注入条件，根据EMCCD拓扑结构和制作工艺，确定EMCCD的杂质类型、杂质浓度分布、硅片厚度，构建用于EMCCD光响应率计算的分析EMCCD结构。
优选的技术方案中，所述步骤S02中还包括制作入射光EMCCD介质界面相互作用的单元数值分析结构，所述单元数值分析结构包括EMCCD单元杂质系统、EMCCD单元介质系统和EMCCD单元电极系统，对EMCCD单元数值分析结构进行简化分析，简化方法包括沟道杂质的均匀性近似PN结的线性近似、电极结构尺寸的几何近似和介质的等效近似。
优选的技术方案中，所述步骤S02中还包括，在EMCCD边界制作高浓度的超薄杂质区，高浓度超薄杂质区与相邻低浓度的超薄杂质区形成PN结，在EMCCD钝化层淀积高介电常数高折射率的膜层，在膜层上制作周期性排列的全电介质结构，操纵入射光电磁特性主要对电磁波相位、振动方向和振幅，调整入射光波前整形、相位控制和强度。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明将EMCCD常用天空辐射光谱作为光输入条件计算EMCCD光响应率，然后根据EMCCD光谱响应率采用时域差分方法计算EMCCD介质界面处入射光反射、折射和透射等电磁特性，有针对性的对天空辐射光谱中部分区域响应率低的问题，设计具有光波振幅、相位和振动方向调控功能的全电介质周期性平面图形结构，再应用与EMCCD兼容的半导体平面制程工艺制作实现EMCCD全电介质周期性平面图形结构。采用本发明的方案后，EMCCD产品光收集效率明显提高，EMCCD在微弱光条件下获取目标信息的能力得到提升，全电介质周期性平面图形对入射光信号的调控增加了EMCCD探测感知能力，为EMCCD更广泛范围的应用提供了产品质量基础。
、本发明具有很强的指导性、针对性和可操作性，本发明还扩宽EMCCD的应用范围，提升EMCCD的成像品质。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明光收集效率高的EMCCD制作方法的流程图；
图2为一种EMCCD全电介质单元结构图；
图3为一种高纵横比周期性EMCCD表面结构图；
图4为一种具有聚焦特性EMCCD表面结构图；
图5为一种V形周期阵列EMCCD表面结构图；
图6为一种帧转移EMCCD光敏单元图；
图7为一种帧转移EMCCD电路原理图。
图中，各个标记所对应的名称分别是：抗光晕栅ABG、光敏区转移电极I1、光敏区转移电极I2、存储区转移电极S1、存储区转移电极S2、水平寄存器转移电极R1、水平寄存器转移电极R2、水平寄存器转移电极R3、倍增寄存器直流电极R2DC、倍增寄存器倍增电极R2HV、输出控制栅OG、输出漏级OD、输出复位OR、输出漏级DH、输出漏级DL、输出端SH、输出端SL、地VSS、外延层Epi、沟道Bch、沟道势垒Bar、源漏SD、浮置扩散区FD、MOS管沟道TrCh。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
一种提高EMCCD光收集效率的设计制造方法，包括天空辐射光谱EMCCD光响应数值分析方法、入射光EMCCD介质界面相互作用的分析结构、EMCCD全电介质表面设计方法、EMCCD全电介质周期性平面图形、EMCCD单元数值分析结构、EMCCD单元数值简化近似方法、EMCCD边界完美匹配层结构和兼容EMCCD工艺的全电介质图形制作工艺，采用天空辐射光谱EMCCD光响应数值分析方法对入射光与EMCCD介质相互作用的界面进行分析，对入射到EMCCD内部的光信号依据EMCCD单元数值简化近似方法分析光信号在EMCCD单元和EMCCD边界的光电转换过程，对没有入射到EMCCD内部的光信号，采用EMCCD全电介质表面设计方法设计EMCCD全电介质周期性平面图形，增加入射光电磁特性的精准操控能力，经过不断反复迭代优化出具有最高EMCCD光收集效率的全电介质周期性平面图形，然后采用兼容EMCCD的全电介质周期性平面图形制作工艺制造出光收集效率高的EMCCD周期性表面，能够扩大EMCCD应用范围和增强EMCCD的成像效果。
本发明方法实现方式简单，对EMCCD设计流程和EMCCD制程工艺步骤没有特别的限制和要求，而且制作工艺完全兼容EMCCD，还能够根据实现不同应用环境条件的差异有针对性制作不同结构EMCCD表面周期性结构，提高光收集效率，本发明具有很强的指导性、针对性和可操作性，本发明还扩宽EMCCD的应用范围，提升EMCCD的成像品质。
如图1所示，设计制造方法包括以下步骤：
S01：将天空辐射光谱作为EMCCD输入计算EMCCD光响应率；
S02：根据EMCCD光响应率采用时域有限差分算法计算入射光在EMCCD介质界面处光波的电磁特征；
S03：针对天空辐射光谱中部分波段区光响应率低的问题，按照入射光在介质界面的电磁特征针对性的设计具有光波相位调制功能和光波会聚功能的全电介质周期性平面图形结构。
全电介质周期性平面图形制造采用完全兼容EMCCD的半导体制造技术，主要包括EMCCD表面电介质淀积生长、介质表面平坦化、硅膜沉积、介质生长、周期性平面图形转移、周期性平面图形精准制备等关键工序，在EMCCD芯片表面制作出全电介质周期性平面图形，提高EMCCD入射光的光收集效率。
天空辐射光谱EMCCD光响应数值分析方法包括根据EMCCD典型应用环境建立数据量充分的天空辐射光谱资料库，对天空辐射光谱资料库中数据进行筛选统计分析，确定出EMCCD通用光谱辐射作为光注入条件。
光响应率计算方法包括以下步骤：
根据EMCCD拓扑结构和制作工艺，通过EMCCD的确定杂质类型、杂质浓度分布、硅片厚度等特征参数，构建用于EMCCD光响应率计算的分析EMCCD结构。
应用EMCCD通用光注入条件作为输入通过入射光EMCCD介质界面相互作用的分析结构计算EMCCD介质界面处光波的电磁特征，电磁特征包括反射、折射、透射、散射或衍射等参量。
入射光EMCCD介质界面相互作用的分析结构，按照EMCCD结构设计内容和制程工艺步骤，通过热氧化、薄膜外延和光刻刻蚀等工艺等效模型确定光与EMCCD介质界面相互作用的分析结构尺寸和材料特征。
较佳的实施例中，EMCCD介质界面包括EMCCD栅介质、EMCCD钝化层、EMCCD金属互连线、EMCCD电极、EMCCD硅外延层和衬底。
单元数值分析结构包括EMCCD单元杂质系统、EMCCD单元介质系统和EMCCD单元电极系统。
入射光在EMCCD介质界面的反射、折射和透射对EMCCD单元数值分析结构的简化分析的方法包括沟道杂质的均匀性近似PN结的线性近似、电极结构尺寸的几何近似和介质的等效近似。
全电介质表面设计方法包括入射光在EMCCD介质界面振动方向、振幅和相位等多参数的解析，入射光振动方向、振幅和相位等参数与全电介质表面图形的作用机制，全电介质表面图形对入射光的操控实现过程，周期性全电介质表面图形的优化。在仿真入射光在周期性全电介质平面图形传输过程中可以提取出EMCCD全电介质表面设计参数。设计参数包括膜层类型、膜层次结构、膜表面图形几何特征、表面图形周期性规律等。
边界完美匹配层结构包括EMCCD沟道杂质系统、EMCCD的PN结隔离系统、EMCCD高浓度超薄掺杂区以及EMCCD边界吸收区。
对入射光在EMCCD左右边界和下边界的光吸收效应进行本征吸收、杂质吸收、激子吸收、载流子吸收和晶格吸收等数值计算，并且在边界区域设计强吸收带，减少左右边界和下边界的光损失。
在EMCCD边界制作杂质浓度很高的超薄杂质区,超薄高浓度杂质区与相邻浓度很低的杂质区形成PN结，由于低浓度杂质区域很宽，入射光在低浓度杂质区充分吸收，提高入射光吸收。在EMCCD钝化层淀积高介电常数高折射率的膜层，在膜层上制作周期性排列的全电介质结构，操纵入射光电磁特性主要对电磁波相位、振动方向和振幅等基本特征，进行入射光波前整形、相位控制和强度调整，从而提高光收集效率。
全电介质周期性平面图形包括EMCCD杂质系统、EMCCD隔离介质系统、EMCCD电极系统、EMCCD表面介质系统和EMCCD表面周期性图形。
一种EMCCD全电介质单元结构10如图2所示，采用折射率高的硅膜制作椭圆柱体11，底部是二氧化硅12。高纵横比的椭圆柱与折射率低的硅氧化物紧密结合。由于硅膜对入射光信号高折射特性，所以具有良好操控光信号的能力。
图3是采用图2单元在EMCCD表面制作的周期性阵列，利用图2单元的光调制功能，通过周期性阵列中不同单元角度变化调整入射光振动的电场矢量和磁场矢量获得入射光在EMCCD表面发生相位突变，从而控制光的入射参数达到有效聚焦入射光能量的目的。
图4是在EMCCD表面采用硅膜介质材料制作的一种能够有效聚焦入射光的周期性表面结构，表面单元材料是硅膜，制作成长方体结构20，微观结构类似硅砖并且按照一定的角度规律偏转。这种周期性结构具有可以改变入射光束传播方向的表面拓扑特征，光在这种表面传输过程中会发生相位偏移，这种相位偏移呈现周期性变化的规律使入射光大部分束缚在EMCCD表面的范围内，提高了入射光的利用效率。
图5是在EMCCD表面制作全介质的周期性V形阵列结构，包括由硅膜制作的V形结构30，V形周期性阵列可以实现对于入射光的透射和反射现象的调制，V形角度的不同对入射光幅度和相位的调控能力也不一样，同样V形结构与入射光相对位置的不同对于入射光参数的调制也存在差异，根据入射光的特征在EMCCD表面设计这种周期性V形阵列，能增大EMCCD光响应度，提高器件工作效率。
图6为本发明应用的EMCCD光敏元数值分析结构图：包括在衬底的外延层上制作的沟道Bch、沟道势垒Bar、介质层40和光敏区转移电极I1、I2等部分，其中两条多晶硅构成一相时钟电极，在时钟电压的作用下每相时钟都能在沟道形成势阱势垒，这样周期性的势阱势垒可以实现两相时钟对入射光信号的积分。
图7为本发明应用的一种EMCCD的电路图：包括电极和MOS管，其中电极用于信号电荷在EMCCD内部的收集、存储和转移，MOS管构成了电荷检测和输出机构，其中电荷检测时MOS管用于复位输出节点的，输出级MOS管组成多级跟随器实现电荷电压转换和增强输出驱动能力。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种光收集效率高的EMCCD，包括EMCCD芯片，其特征在于，所述EMCCD芯片的入射光面设置有全电介质周期性平面图形结构，所述全电介质周期性平面图形结构包括EMCCD杂质系统、EMCCD隔离介质系统、EMCCD电极系统、EMCCD表面介质系统和EMCCD表面周期性图形。
2.根据权利要求1所述的光收集效率高的EMCCD，其特征在于，所述全电介质周期性平面图形结构的制作方法包括：EMCCD表面电介质生长、介质表面平坦化处理、表面膜层淀积、多级缓冲层制备、周期性平面图形转移、图形光刻、图形刻蚀。
3.根据权利要求1所述的光收集效率高的EMCCD，其特征在于，所述全电介质周期性平面图形结构包括多个EMCCD全电介质单元结构，所述EMCCD全电介质单元结构呈周期性阵列分布，通过调整不同EMCCD全电介质单元结构的角度调整入射光振动的电场矢量和磁场矢量获得入射光在EMCCD表面发生相位突变，控制光的入射参数聚焦入射光能量。
4.根据权利要求3所述的光收集效率高的EMCCD，其特征在于，所述EMCCD全电介质单元结构包括底部的硅氧化物本体和设置于底部硅氧化物本体上的高纵横比的椭圆柱体，所述椭圆柱体由硅膜制作。
5.根据权利要求3所述的光收集效率高的EMCCD，其特征在于，所述EMCCD全电介质单元结构包括由硅膜制作的长方体结构，不同的长方体结构按照一定的角度偏转。
6.根据权利要求3所述的光收集效率高的EMCCD，其特征在于，所述EMCCD全电介质单元结构包括由硅膜制作的V形结构，调整V形角度和位置调整入射光幅度和相位的调控能力。
7.一种光收集效率高的EMCCD制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：将天空辐射光谱作为EMCCD输入计算EMCCD光响应率；
S02：根据EMCCD光响应率采用时域有限差分算法计算入射光在EMCCD介质界面处光波的电磁特征；
S03：根据得到的电磁特征设计全电介质周期性平面图形结构，所述全电介质周期性平面图形结构用于光波相位调制和光波会聚。
8.根据权利要求7所述的光收集效率高的EMCCD制作方法，其特征在于，所述步骤S01中EMCCD光响应率的计算方法包括，根据EMCCD典型应用环境建立天空辐射光谱资料库，对天空辐射光谱资料库中数据进行筛选统计分析，确定EMCCD通用光谱辐射作为光注入条件，根据EMCCD拓扑结构和制作工艺，确定EMCCD的杂质类型、杂质浓度分布、硅片厚度，构建用于EMCCD光响应率计算的分析EMCCD结构。
9.根据权利要求7所述的光收集效率高的EMCCD制作方法，其特征在于，所述步骤S02中还包括制作入射光EMCCD介质界面相互作用的单元数值分析结构，所述单元数值分析结构包括EMCCD单元杂质系统、EMCCD单元介质系统和EMCCD单元电极系统，对EMCCD单元数值分析结构进行简化分析，简化方法包括沟道杂质的均匀性近似PN结的线性近似、电极结构尺寸的几何近似和介质的等效近似。
10.根据权利要求9所述的光收集效率高的EMCCD制作方法，其特征在于，所述步骤S02中还包括，在EMCCD边界制作高浓度的超薄杂质区，高浓度超薄杂质区与相邻低浓度的超薄杂质区形成PN结，在EMCCD钝化层淀积高介电常数高折射率的膜层，在膜层上制作周期性排列的全电介质结构，操纵入射光电磁特性主要对电磁波相位、振动方向和振幅，调整入射光波前整形、相位控制和强度。
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