CN113066811B - 高mtf背照tdiccd - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高MTF背照TD I CCD，包括光敏区、垂直转移栅、水平CCD结构、输出节点和输出放大器，光敏区的像元包括衬底、背面、CCD信道注入区、栅介质层和垂直CCD驱动栅电极,所述衬底采用高电阻率材料；所述背照TD I CCD采用突发模式的工作时序，并提高该工作时序中积分阶段高电平的值，从而在垂直CCD驱动栅电极下形成深耗尽区或全耗尽区。本发明中，为了克服现有技术中背照TD I CCD的MTF较低的问题，提出了使用低掺杂高电阻率衬底，同时提高积分阶段的高电平值的方式，在积分阶段消除无电场中性区，从而提高背照TD I CCD的扩散MTFD，进而提升背照TD I CCD的MTF。

Description

高MTF背照TDICCD
技术领域
本发明涉及CCD领域，特别涉及一种高MTF背照TDICCD。
背景技术
电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）是一种使用电荷耦合原理的固态半导体成像器件。TDICCD，即时间延时积分CCD（Time Delay Integrating CCD，TDICCD）是一种特殊类型的CCD，类似于多个线阵CCD并在一起。TDICCD在工作时，对同一景物进行多行线阵相应信号的累加，当TDICCD级数为M时，输出信号为单级的M倍。TDICCD最大的优势是相对常规CCD，信噪比有了明显提高。当TDICCD级数为M时，信噪比提高
Figure 66128DEST_PATH_IMAGE002
倍。因此TDICCD特别适合对工业检测中高速移动的物体成像以及卫星对地遥感成像。
根据TDICCD工作时光入射方向，TDICCD可分为正照和背照两种类型。对于正照TDICCD，光从多晶硅电极一侧入射，受到多晶硅电极及电极上方的多层介质的吸收影响，正照TDICCD的量子效率比较低，量子效率峰值典型值大约30%~40%。对于背照TDICCD，光从背面一侧入射直接进入硅材料，因此具有较高的量子效率，量子效率峰值典型值可超过90%。
调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）定义为输出图像的调整度与输入图像的调制度之比。作为评价图像传感器的成像质量的重要参数，MTF表示图像传感器真实地再现被拍摄物体的能力。虽然背照TDICCD具有明显成像性能优势，但是由于背照TDICCD在积分过程中生成的光生电荷会发生横向扩散，使部分光生电荷横向扩散到相邻像元，导致背照TDICCD的MTF较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种高MTF的背照TDICCD。
本发明的技术方案如下：
一种高MTF背照TDICCD，包括光敏区、垂直转移栅、水平CCD结构、输出节点和输出放大器，所述光敏区用于通过光电转换将接收的光信号转换为光生电荷，以及光生电荷的存储和垂直转移，所述水平CCD结构用于光生电荷的水平转移，所述输出放大器用于将光生电荷转换为读出电压，从而实现光信号的读出；
所述光敏区包括多个像元，所述像元包括衬底,所述衬底采用高电阻率材料，所述衬底的下端设有背面，所述衬底上部通过离子注入形成有CCD信道注入区，所述CCD信道注入区上设有栅介质层，所述栅介质层上设有垂直CCD驱动栅电极；所述背照TDICCD采用突发模式的工作时序，并提高该工作时序中积分阶段高电平的值，从而在垂直CCD驱动栅电极下形成深耗尽区或全耗尽区。
为更好地增加耗尽区的宽度,作为优选，所述高电阻率材料为电阻率大于或等于250Ω·cm的低掺杂硅材料。
为更好地消除无电场中性区,作为优选，积分阶段高电平的值大于10V。
为提高波长较长的光信号的成像效果,作为优选，所述衬底的厚度大于或等于30μm。
为在保证垂直区电荷转移效率不变的前提下减小器件的功耗,作为优选，工作时序中积分阶段高电平的值大于转移阶段高电平的值。
为更好地控制垂直区的转移,作为优选，所述垂直CCD驱动栅电极包括第一垂直CCD驱动相、第二垂直CCD驱动相、第三垂直CCD驱动相和第四垂直CCD驱动相。
有益效果：本发明中，为了克服现有技术中背照TDICCD的MTF较低的问题，提出了使用低掺杂高电阻率衬底，同时提高积分阶段的高电平值的方式，在积分阶段消除无电场中性区，从而提高背照TDICCD的扩散MTFD，进而提升背照TDICCD的MTF；另外，通过在积分阶段增加耗尽区的宽度，还可以采用更厚的衬底，从而提高波长较长的光信号的成像效果。
附图说明
图1为本发明高MTF背照TDICCD的一个优选实施例的结构示意图；
图2为背照TDICCD的像元结构图；
图3为现有技术中背照TDICCD处于突发模式的工作时序图；
图4为现有技术中背照TDICCD在积分阶段的电势分布示意图；
图5为优选实施例中突发模式的工作时序图；
图6为优选实施例在积分阶段的电势分布示意图。
图中：1.光敏区，2.水平CCD结构，3.垂直转移栅，4.输出节点，5.输出放大器，10.衬底，11.垂直CCD驱动栅电极，12.栅介质层，13.CCD信道注入区，14.背面，15.耗尽区，16.无电场中性区，111.第一垂直CCD驱动相，112.第二垂直CCD驱动相，113.第三垂直CCD驱动相，114.第四垂直CCD驱动相。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
如图1所示，本发明高MTF背照TDICCD的一个优选实施例包括光敏区1、水平CCD结构2、垂直转移栅3、输出节点4和输出放大器5，所述光敏区1用于通过光电转换将接收的光信号转换为光生电荷，以及光生电荷的存储和垂直转移，所述水平CCD结构2用于光生电荷的水平转移，所述垂直转移栅3连接有垂直转移栅驱动信号TCK，用于控制垂直区（即光敏区1）到水平区（即水平CCD结构2）的电荷转移。所述输出放大器5用于将光生电荷转换为读出电压，从而实现光信号的读出。下面以垂直区四相结构、水平区二相结构的背照TDICCD为例进行说明，当然，垂直区也可为二相或者三相结构，只需在行积分时间内均使积分高电平大幅高于转移高电平即可。
所述光敏区1包括多个像元，如图2所示，所述像元包括衬底10,所述衬底10采用高电阻率材料，所述高电阻率材料为电阻率大于或等于250Ω·cm的低掺杂硅材料；所述衬底10的厚度大于或等于30μm。所述衬底10的下端设有背面14，所述衬底10上部通过离子注入形成有CCD信道注入区13，所述CCD信道注入区13上设有栅介质层12，所述栅介质层12上设有垂直CCD驱动栅电极11；所述垂直CCD驱动栅电极11优选为包括第一垂直CCD驱动相111、第二垂直CCD驱动相112、第三垂直CCD驱动相113和第四垂直CCD驱动相114，所述第一垂直CCD驱动相111连接光敏区驱动信号I1,所述第二垂直CCD驱动相112连接光敏区驱动信号I2,所述第三垂直CCD驱动相113连接光敏区驱动信号I3,所述第四垂直CCD驱动相114连接光敏区驱动信号I4。
所述背照TDICCD采用突发模式的工作时序，并提高该工作时序中积分阶段高电平的值，使积分阶段高电平的值大于转移阶段高电平的值。从而在垂直CCD驱动栅电极11下形成深耗尽区或全耗尽区。积分阶段高电平的值优选为10~30V。
本实施例的工作原理如下：
TDICCD的MTF可以定义为：
MTF=MTFI×MTFT×MTFD
式中，MTFI为几何形状所形成的MTF，MTFT为电荷转移损失引起的MTF，MTFD为扩散引起的MTF。背照TDICCD的像元尺寸等于像元中心距，奈奎斯特频率（即像元中心距的2倍的倒数）MTFI值为0.637。背照TDICCD的MTFT在电荷转移效率理想的情况下约等于1。MTFD，即扩散MTF为限制背照TDICCD提高的主要因素。
在光积分过程中，当光生载流子在离CCD栅下耗尽区15较远处产生时，它们在向表面漂移时会发生横向扩散，可表示为扩散损失引起的MTFD，扩散损失越大，MTFD的值越小。背照TDICCD光生电荷横向扩散的原因主要在于垂直CCD驱动栅电极11下的硅材料中存在无电场中性区16，导致部分光生电荷在光积分过程中横向扩散到相邻像元。因此，可通过减小或者消除垂直CCD驱动栅电极11下的无电场中性区16（即在垂直CCD驱动栅电极11下形成深耗尽区或者全耗尽区）可以提高MTFD，进而提高背照TDICCD的MTF。
本发明根据CCD的原理，通过推导得出垂直CCD驱动栅电极11下耗尽区15的宽度与衬底10的电阻率以及垂直CCD驱动栅电极11上施加的偏置电压高电平值相关，由于只需要在光积分的过程中减小或消除无电场中性区16即可，在转移阶段无电场中性区16的影响极小，因而本实施例采用了增大衬底10的电阻率和提高工作时序中积分阶段的高电平值的方案。
背照TDICCD具有两种典型的工作时序。第一种为连续转移模式，其工作时序为光敏区1连续转移，而水平区也连续转移。对于连续转移模式，由于光敏区1的转移和积分在时间上有重叠，且光敏区1转移与水平区转移也存在时间上的重叠，如果增大积分阶段的高电平值，当同时进行光敏区1的垂直转移、积分以及水平区的转移时，由于垂直区的电平幅度太高，会引起衬底10较大的电势扰动，影响器件工作，而且垂直区高电平太高还会导致垂直区向水平区电荷转移不顺畅，使得电荷转移不彻底，影响成像。另外，如果垂直区在转移时也使用较大电压幅度，会导致器件功耗增大。因此，从工作时序分析及器件工作时的功耗角度考虑，连接转移模式都不能增加积分高电平的值，因此，本实施例的技术方案不适用连续转移模式。
第二种为突发模式，现有技术中突发模式的工作时序如图3所示，像元在积分阶段的电势分布如图4所示。其中，I1、I2、I3、I4为光敏区驱动信号，H1、H2为水平区驱动信号，TCK为垂直转移栅驱动信号。突发模式中，水平读出与光敏区1积分同时进行，而光敏区1转移时水平区不读出；由于光敏区1的积分和转移是分隔开的，可以只提高积分阶段的高电平值，而转移阶段的高电平值保持不变，从而使转移阶段的高电平值比积分阶段的高电平值低（现有技术中转移高电平的典型值为3~5V，最大不超过10V），这样就不会影响垂直区向水平区的电荷转移；本实施例提高积分高电平后的工作时序如图5所示。本实施例的衬底10采用低掺杂硅材料以增大电阻率，并增加工作时序在积分阶段的高电平值后，大幅提高了积分时耗尽区15的宽度，像元在积分阶段的电势分布如图6所示。
另外，现有的背照TDICCD中，由于难以大幅提高耗尽区15的宽度，一般采用很薄的衬底10以减小无电场中性区16的范围，衬底10的厚度一般为10~20μm。本实施例采用增大衬底10的电阻率和提高工作时序在积分阶段的高电平值的方式来增加积分阶段耗尽区15的宽度，使积分阶段耗尽区15的宽度能够远大于20μm；因此，本实施例在增加背照TDICCD的衬底10厚度后仍能在积分阶段消除无电场中性区16，从而能够适用于较厚的衬底10，以提高波长较长的光信号的成像效果。
同时，由于耗尽区可扩展至背面，因此波长较短的光信号所产生的光生电荷可以几乎被完成吸收，从而也能提高波长较短的光信号的MTF。因此，通过采用高阻厚衬底材料，并施加高的积分电平，可实现短波长光信号到长波长光信号（即整个可见光波段）的高MTF。
例如，当背照TDICCD采用35μm的硅衬底10时，使衬底10电阻率为1500Ω·cm、积分高电平为17V即能在积分阶段消除无电场中性区16。通过适当调整衬底10的电阻率和积分的高电平值，本实施例的技术方案能够在衬底10厚度达到甚至超过100μm的背照TDICCD上消除无电场中性区16。
本实施例中，采用低掺杂高电阻率衬底，同时提高积分阶段的高电平值，在积分阶段减少或消除了无电场中性区，提高了背照TDICCD的扩散MTFD，进而提升了背照TDICCD的MTF。另外，通过在积分阶段增加耗尽区的宽度，还可以采用更厚的衬底，从而提高波长较长的光信号的成像效果。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高MTF背照TDICCD，其特征在于,包括光敏区、垂直转移栅、水平CCD结构、输出节点和输出放大器，所述光敏区用于通过光电转换将接收的光信号转换为光生电荷，以及光生电荷的存储和垂直转移，所述水平CCD结构用于光生电荷的水平转移，所述输出放大器用于将光生电荷转换为读出电压，从而实现光信号的读出；
所述光敏区包括多个像元，所述像元包括衬底,所述衬底采用高电阻率材料，所述衬底的下端设有背面，所述衬底上部通过离子注入形成有CCD信道注入区，所述CCD信道注入区上设有栅介质层，所述栅介质层上设有垂直CCD驱动栅电极；所述背照TDICCD采用突发模式的工作时序，并提高该工作时序中积分阶段高电平的值，从而在垂直CCD驱动栅电极下形成深耗尽区或全耗尽区。
2.根据权利要求1所述的高MTF背照TDICCD，其特征在于,所述高电阻率材料为电阻率大于或等于250Ω·cm的低掺杂硅材料。
3.根据权利要求1所述的高MTF背照TDICCD，其特征在于,积分阶段高电平的值大于10V。
4.根据权利要求1所述的高MTF背照TDICCD，其特征在于,所述衬底的厚度大于或等于30μm。
5.根据权利要求1所述的高MTF背照TDICCD，其特征在于,工作时序中积分阶段高电平的值大于转移阶段高电平的值。
6.根据权利要求1所述的高MTF背照TDICCD，其特征在于,所述垂直CCD驱动栅电极包括第一垂直CCD驱动相、第二垂直CCD驱动相、第三垂直CCD驱动相和第四垂直CCD驱动相。
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