CN214152900U - 一种复合介质栅横向收集光敏探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种复合介质栅横向收集光敏探测器，包括形成在同一P型半导体衬底正面的复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管，还包括埋栅MOS电容，埋栅MOS电容位于P型半导体衬底背面且正对上方复合介质栅MOS电容的中心位置，复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中通过浅槽隔离区隔开；复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中还设有源极和漏极；埋栅MOS电容包括从P型半导体衬底的背面向上延伸至衬底内部的柱形深槽，柱形深槽中设有埋栅和绝缘介质埋层，埋栅从P型半导体衬底的底部界面沿柱形深槽的中心线向上延伸，绝缘介质埋层以均匀厚度包裹在埋栅的外周将埋栅与P型半导体衬底相隔离。本发明通过横向收集光电荷，光电荷收集效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种复合介质栅横向收集光敏探测器，属于光敏探测器技术领域。
背景技术
成像探测器在军事民用等各个领域都有很大的应用。当前发展的主要成像探测器是CCD和CMOS-APS。CCD出现较早，技术相对比较成熟，它的基本结构是一列列MOS电容串联，通过电容上面电压脉冲时序控制半导体表面势阱的产生和变化，进而实现光生电荷信号的存储和转移读出。也正是由于这个信号转移特点，电荷转移速度很受限制，所以成像速度不高。另外由于是电容串联，一个电容有问题会影响整行信号的传输，所以对工艺要求极高，成品率和成本不够理想。
CMOS-APS每个像素采用二极管和晶体管组成，每个像素都是相互独立的，在整个信号传输过程中不需要串行移动电荷，某一个像素出现问题不影响其它像素性能，克服了CCD在此方面的缺点，所以对工艺要求也不是那么苛刻。COMS由于采用单点信号传输，通过简单的X-Y寻址技术，允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输。不过CMOS-APS每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，灵敏度、动态范围和分辨率相对较小。
公开号为CN 102938409A的中国实用新型专利，虽然提出了一种新型的双晶体管光敏探测器，但是用于背面入射的情况下，光电荷主要在像素背面附近产生，需要被收集在像素正面的表面，由于像素厚度（2um以上）相较于像素尺寸（亚微米）的比例较大，曝光电压下的耗尽区深度难以达到2um，因而光电荷需要穿过较长的非耗尽区才能被储存，而在此过程中光电荷很容易被符合，导致光电荷的收集效率降低。
实用新型内容
本实用新型的目的是，针对现有技术存在的问题，提供的一种复合介质栅横向收集光敏探测器，通过横向收集光电荷，可实现小像素背照光电荷收集效率的提升。
为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为，提供一种复合介质栅横向收集光敏探测器，包括形成在同一P型半导体衬底正面的复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管，还包括埋栅MOS电容，所述埋栅MOS电容位于P型半导体衬底背面且正对上方复合介质栅MOS电容的中心位置，所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中通过浅槽隔离区隔开；所述复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中还设有源极和漏极；所述埋栅MOS电容包括从P型半导体衬底的背面向上延伸至衬底内部的柱形深槽，所述柱形深槽中设有埋栅和绝缘介质埋层，所述埋栅从P型半导体衬底的底部界面沿柱形深槽的中心线向上延伸，所述绝缘介质埋层以均匀厚度包裹在所述埋栅的外周将埋栅与P型半导体衬底相隔离。
进一步的，所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管的结构均为：在P型半导体衬底上方依次设有底层介质层、浮栅、顶层介质层和控制栅极，其中浮栅和控制栅极由所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管共用。
本实用新型的有益效果是：1、由于复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管共用浮栅，复合介质栅MOS电容在曝光过程中收集到的光电子可以通过电荷耦合效应被复合介质栅晶体管读到。
2、本实用新型的光敏探测器可实现对光电子的收集与响应，机理如下：在控制栅极上加零或正电压，P型半导体衬底上加负电压，在埋栅上加一介于控制栅极电压和衬底电压之间的电压，在P型半导体衬底的各深度形成耗尽层。当光入射到耗尽层中，光子被半导体吸收，产生光电子；光电子在埋栅-衬底电压差的驱使下移动到埋栅MOS电容的绝缘介质埋层和P型半导体衬底的界面处，进而在控制栅极-埋栅电压差的驱使下移动到复合介质栅MOS电容和底层介质层的界面处；该界面处收集到的光电子改变了此界面处的电势，进而影响了浮栅即电荷耦合层的电势；而复合介质栅晶体管开启时的浮栅电势是定值，为了保持这个恒定的电势，在读取时，为了开启该复合介质栅晶体管，控制栅极上的电压必然高于复合介质栅晶体管的初始阈值电压，产生了阈值电压的漂移量。至此，对曝光前后阈值电压的漂移量的测量可以定出收集在复合介质栅MOS电容和底层介质层的界面处的光电子数目。
3、通过像素背面的埋栅结构将光电荷横向收集到埋栅与衬底的界面，且沿着界面向像素正面输运并被位于像素正面的复合介质栅MOS电容收集，并由复合介质栅晶体管实现探测器的读取功能，从而实现高的光电荷的收集效率。
附图说明
图1是本实用新型复合介质栅横向收集光敏探测器中探测单元的平面布局；
图2是本实用新型中垂直于复合介质栅晶体管沟道方向即栅宽方向（X-X’）结构图；
图3是本实用新型中复合介质栅MOS电容平行于沟道方向即栅长方向（Y1-Y1’）结构图；
图4是本实用新型中复合介质栅晶体管平行于沟道方向即栅长方向（Y2-Y2’）结构图；
图5是本实用新型复合介质栅横向收集光敏探测器的阵列互连方法示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图1至图4所示，本实用新型的复合介质栅横向收集光敏探测器，包括形成在同一P型半导体衬底正面的复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管，还包括埋栅MOS电容，埋栅MOS电容位于P型半导体衬底背面且正对上方复合介质栅MOS电容的中心位置，复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中通过浅槽隔离区隔开。
复合介质栅MOS电容实现探测器的感光功能，复合介质栅晶体管实现探测器的读取功能，埋栅MOS电容实现探测器的辅助收集功能。复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管的结构均为：在P型半导体衬底上方依次设有底层介质层、浮栅、顶层介质层和控制栅极，其中浮栅和控制栅极由复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管共用。
复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中还设有源极和漏极；埋栅MOS电容包括从P型半导体衬底的背面向上延伸至衬底内部的柱形深槽，柱形深槽中设有埋栅和绝缘介质埋层，埋栅从P型半导体衬底的底部界面沿柱形深槽的中心线向上延伸，绝缘介质埋层以均匀厚度包裹在埋栅的外周将埋栅与P型半导体衬底相隔离。
底层介质层、顶层介质层和绝缘介质埋层的材料均为宽禁带材料。底层介质层和绝缘介质埋层的材料为氧化硅或氮氧化硅；顶层介质层的材料为氧化硅-氮化硅-氧化硅、氧化硅-氧化铝-氧化硅、氧化硅或氧化铝。浮栅即电荷耦合层的材料为多晶硅；控制栅极和埋栅的材料为多晶硅、金属或透明导电电极。
本实用新型的光敏探测器可实现对光电子的收集与响应，机理如下：在控制栅极上加零或正电压，P型半导体衬底上加负电压，在埋栅上加一介于控制栅极电压和衬底电压之间的电压，在P型半导体衬底的各深度形成耗尽层。当光入射到耗尽层中，光子被半导体吸收，产生光电子；光电子在埋栅-衬底电压差的驱使下移动到埋栅MOS电容的绝缘介质埋层和P型半导体衬底的界面处，进而在控制栅极-埋栅电压差的驱使下移动到复合介质栅MOS电容和底层介质层的界面处；该界面处收集到的光电子改变了此界面处的电势，进而影响了浮栅的电势；而复合介质栅晶体管开启时的浮栅电势是定值，为了保持这个恒定的电势，在读取时，为了开启该复合介质栅晶体管，控制栅极上的电压必然高于复合介质栅晶体管的初始阈值电压，产生了阈值电压的漂移量。至此，对曝光前后阈值电压的漂移量的测量可以定出收集在复合介质栅MOS电容和底层介质层的界面处的光电子数目。
通过像素背面的埋栅结构将光电荷横向收集到埋栅与衬底的界面，且沿着界面向像素正面输运并被位于像素正面的复合介质栅MOS电容收集，并由复合介质栅晶体管实现探测器的读取功能，从而实现高的光电荷的收集效率。
如图5所示，本实用新型基于光敏探测器组成的复合介质栅横向收集光敏探测器，多个光敏探测器排列构成探测阵列，其中虚线方框所示为一个重复单元。探测阵列中，每一列光敏探测器的复合介质栅晶体管的漏端相连形成位线i，其中i为任意正整数，其最大值为探测阵列的列数；所有光敏探测器的复合介质栅晶体管的源端相连形成公用源；每一行光敏探测器的控制栅极分别相连形成字线j，其中j为任意正整数，其最大值为探测阵列的行数；每一行光敏探测器的埋栅相连形成埋栅线k，其中k为任意正整数，其最大值为探测阵列的行数；所有光敏探测器的P型半导体衬底共用；光敏探测器之间通过衬底正面的浅槽隔离区以及衬底背面的深槽隔离区隔开。
时序主要分为曝光、读取和复位三个过程。
曝光时衬底加负偏压(如-5V～-3V)，位线和公用源接地，在每一行字线上加(如0V～1V)正电压，在每一行埋栅线上加一介于字线电压和衬底电压之间的电压（如-3V～0V）。
读取时根据所要读取像素在阵列中的位置(行列数)，在曝光结束时该行的字线上加一个合适的斜坡电压(如1V～3V)来扫描阈值，衬底和埋栅保持之前的电压不变，公用源接地，所要读取的像素所在的位线上接上合适的正电压。
复位时在每一行字线和埋栅线上加(如-3V～-1V)负电压，衬底和所有的位线和公用源都接地。
复合介质栅横向收集光敏探测器通过像素背面的埋栅结构将光电荷横向收集到埋栅衬底的界面，且沿着界面向像素正面输运并被位于像素正面的复合介质栅MOS电容收集，并由复合介质栅晶体管实现探测器的读取功能，从而实现高的光电荷的收集效率，其具体的优越性有：
1、光电子收集效率高：的探测器结构收集光电子时，不需要电子穿过长距离的非耗尽区，而是先被侧面的埋栅MOS电容收集进而输运到器件正面的复合介质栅MOS电容，这样减小了光电子被复合的几率，增加了P型半导体衬底中产生的光电子被成功收集的比例。
2、量子效率高：由于的探测器结构适用于各种厚度的P型衬底（2um～10um，视埋栅MOS电容加工能力而定），因而P型衬底可以保留更大的厚度。这样使得入射到探测器件的光有更大的比例被P型衬底吸收进而产生光电子，可以有效增大尤其是红光波段的量子效率。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (2)
1.一种复合介质栅横向收集光敏探测器，包括形成在同一P型半导体衬底正面的复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管，其特征在于：还包括埋栅MOS电容，所述埋栅MOS电容位于P型半导体衬底背面且正对上方复合介质栅MOS电容的中心位置，所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中通过浅槽隔离区隔开；所述复合介质栅晶体管在P型半导体衬底中还设有源极和漏极；所述埋栅MOS电容包括从P型半导体衬底的背面向上延伸至衬底内部的柱形深槽，所述柱形深槽中设有埋栅和绝缘介质埋层，所述埋栅从P型半导体衬底的底部界面沿柱形深槽的中心线向上延伸，所述绝缘介质埋层以均匀厚度包裹在所述埋栅的外周将埋栅与P型半导体衬底相隔离。
2.根据权利要求1所述的复合介质栅横向收集光敏探测器，其特征在于：所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管的结构均为：在P型半导体衬底上方依次设有底层介质层、浮栅、顶层介质层和控制栅极，其中浮栅和控制栅极由所述复合介质栅MOS电容与复合介质栅晶体管共用。
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