TWI357160B - Semiconductor radiation detector detecting visible - Google Patents

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TWI357160B
TWI357160B TW096100548A TW96100548A TWI357160B TW I357160 B TWI357160 B TW I357160B TW 096100548 A TW096100548 A TW 096100548A TW 96100548 A TW96100548 A TW 96100548A TW I357160 B TWI357160 B TW I357160B
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pixel
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Artto Aurola
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Description

1357160 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明·於半導體輻約貞㈣[，且特顯於一且 .有-修正·内部閘極之-半導體輪射偵測裝置。 【先前技術】 輻射在半導體材料中被轉換為電洞對。在半導體輻射 侦測巧該電洞對被一場電場分開。被測量之該電洞對 之電荷型係被稱為信.號電荷，而該相反電荷型係被稱為第 二電荷。 PCT/FI2004/000492 及 PCT/FI2005/000359 專利申請 案在這裡被合併為參.考資料，揭示具有一修正内部閘極 (MIG)之一半導體輻射偵測裝置，此後所稱之這種偵測裝置 徐稱為該MIG偵測裝置。該MI_G偵測裝置係背發光.，且 其具有一厚且全面耗盡之基板，以及一薄導電層在該偵測 裝置之背面。這種導電背面層具有三種功能：當它被適當 地偏移.匕可使該厚基板全面耗盡；它傳遞該第二電荷位 於該偵測裝置之活化區域外；以及它作為一薄且同質的輻 射進入視窗。該MIG债測裝置具有許多優點·。該表面產生 電啊可仗該彳§號電荷分開’其.提供一小且暗的電流干擾。 該#说電何可被非破壞性地讀取，達成該信號電荷可被讀 取多次’以減少該讀取干擾。背發光及該薄且同質的輻射 進入視由’達成該穿透輻射的xf貞測，例如低能量之X射線 及粒子具有一良好能量解析度。該厚且全面耗盡之基板 1357160 達成深度穿透輕射的偵測。 . 该MIG彳貞測裝置之基板材料較佳為·高.度電阻性，例 如，幾乎本質為矽，且該基板之厚度為幾百微米‘。如此_ MIG偵測裝置可被使甩之偵測粒子，低至中能量之乂射線 (〜100 eV -〜10 keV)，以及從紫外光與藍光到近紅外線輻射 之光子。在此所稱之近紅外線輻射係被稱為無法被人類肉 眼看見之輻射·，且其波.長低於.1.1微米，.其為矽之偵測極 I 限。/波長接近但低於此極限之近紅外線輻射，具有在石夕，中 非常大之一衰退深度到好幾百微米。由於背發光，由於該 厚且全面耗盡之基板，且由於該薄輻射進入視窗.，該MIG - 偵測裝置具有高量子效率，從近紅外線輻射到藍光。由於 _ ' 該厚基板亦具有一邊緣現象已被消除。該邊緣現象在具有 —薄基板的偵測裝置中是個問題。在這種偵測裝置中，該 近紅外線輻射，在它被吸收前，在該偵測裝置之前及後表 面間被.反射.許多次’產生不需要的千涉圖案。因為無月光 • 的夜晚天空包含至少—星等，近紅外線光子相較可見光光 子為多，而且許多材料之反射係.數於近紅外線輻射相較可 見光為高.（例如葉子的反射率係高於3至6倍），.該MIG _裝置是非常適用於夜視裝置中之低光^ 貞測。 然而，該MIG偵測裝.置基於下述理由，益不非常適合 於石夕基之可攜式消費應用之可見光的偵測、該厚基板之該 ，盡需要至少幾十伏特。對於可攜式消費裝置，此一電壓 j顯太咼，而且產生太多電源消耗,。該高電阻性矽基板是 P貝的’而且很難處理，增加.了製造成本。其係難以可靠 被，夏’導電背面層，從該前面穿過該厚且高電阻性基 、對於大量生產是重要的。很多本體產生電流係產生 、k厚且全面耗盡之基板’其如同使冷卻的使用為必需。 ’於可攜式消費應用，該偵測裝置之冷卻通常不可能 。影像的清晰度也稍微降低，因為可見光被該偵測裝置之 該背面所吸收，而且該信號電荷在到達該前表面前必須漂 移很長。因此，使用顏色濾波器在該偵測裝置之該背面是 有問題的。 . 紅光在矽中之衰退深度不大於10·微米’藍光及綠光的 衰退深度甚至更少。因此，為了可見光的偵測不需要有厚 基板。代替厚基板可在背薄式MIG偵測裝置中使用薄基板 (典塑為約1 〇微米且少於5 0微米）。然而’薄裝置制動 非常容易’而且因而必需在製造程序後端執行背面處理。 其係存在二個可行的可能方法。第一個是該基板之該前面 被附著於一支撐基板’在該彳貞測裝置之該背面變薄之後。 第二個是該偵測裝置之該背面被蝕刻只低於該活性區域， 包含該像素及一較厚支樓區域被留在該彳貞測裝置之面上。 在這二個方法中，需要該前面處理於該背面變薄前完成·。 此事實使該導電背面層的製造複雜化。為了處理一非常薄 之導電背面層，使藍光有良好的量子效率，存在有二個可 能的程序可適用於大量生產。第一個方法’該導電背面層 藉由植入完成，其需要一高溫退火步驟。所有被使用於該 裝置前面的材料，像是金屬線’必須具有一高於該退火溫 度之嫁點。此事實妨礙了許多常見於積體電路材料（如紹） 1357160 之使用。第二個方法，一薄層被沉積於談裝置之該背面。 然而，許多暗電流被產生於該導電層及該基板之界面，而 且為了抑制這電流，’冷卻是需要的。 其亦存在關於該導電背面層之一固有的問題，假使該 MIG偵測裝置被用於可見光偵測，為了適當地偵測一影像 的不正確發光區域5晶片的尺寸必須變大*而且必須Ί吏用 大的光孔徑。為了在藍光也具有良好的量子效率，該導.電 背面層必須非常薄。如果該影像也包含非常亮的區域，許 • 多第二電荷電流將運轉於該導電背面層。在該導電背面層 運轉的電流越大，該導電背面層的厚度越小、區域越大， - '然而，產生一越大的電阻性電壓降於該導電背面層。該電 _ _ 阻性電壓降降低影像品質，而且可能導致該偵測裝置之故 '.:障，特別是如果該偵測裝置非常薄。 、 另外一個該MIG偵測裝置的問題，清除在該MIG之 信號電荷需要一相當高的電壓，特別是如果需要一高的動 φ 態區域，例如，如果該MIG需要一大的信號電荷容量。然 而另一個問題是，在一些情形中，在MIG偵測裝置中應該 改善分‘離表面產生電荷及信號電荷。 .... . . 【發明内容】 本發明之一個目的為提供一半導體輻射偵測裝置，包 含該修正内部閘極，其中該導電背面層產生之問題已被移 除。本發明之另一個目的為提供一結構作為一半導體輻射 偵測裝置；包含該修正内部閘極，其中該信號電荷可藉由 1357160 使用一小電壓而清除。此外.，本發明之另一個目的為提供 手段來提升分離該表面產生電荷及信號電荷。 本發明之目的可藉由一半導體輻射偵測裝置而達成， 其包含半導體材料之一本體層，而且近一步包含該本體層 之第一表面具有下列順序：半導體之一修正内部閘極層， 其為第二導電率型；半導體之一障礙層，其為第一導電率 型；以及半導.體之像素摻雜，其為第二導電率型，.適應於 與至少一像素電壓偶合，以根據像素摻雜產生像素。該裝 置之技術特徵在於包含一第一導電率型之第一接觸.，因 此，該像素電壓為介於該像素摻雜及該第一接觸之一位能 差，且該本體層為第一型，以及該裝置不包含一導電背面 層，其在該本體層之一第二表面上，係相對於該第一表面.， 其可在該裝置的活化區域外傳導第二電荷，或可作為輻射 進入視窗。 本發明是基於構想從該MIG偵測裝置移除該導電背面 層。其係可暸解到產生於該本體層之該第二電荷可藉由通 道終止在活化區域内收集，以取代一導電背面層以傳導它 們於活化區域外。從該本體層之活化區域内收集該第二電 荷可進一步改善，藉由在該MIG層之間隙，以及藉由被適 當填滿的溝槽結構。其係可瞭解到一新穎的MIG偵測裝置 可從前面發光。然而，:該新穎前發光之MIG偵測裝..置歷經 較差的藍色回應，基於下列事實。該障礙層形成對於信號 電荷的一障礙，其係介於該MIG層及該裝置之該表面。藍 光主要被吸收介於該障礙及該偵測裝置之該前表面.，而且 因此一大部分藉由藍光產生的該信號電荷，係藉由該像素 摻雜收集而不是藉由該MIG。藉由暸解到此一障礙不存在 低於該通道終止，而且該通道終止區域可被用為一輻射進 入視窗，而且藉由進一步瞭解到該通道終止可以非常薄， 而且該通道終止區域在尺寸上可以非常大.，一前發光裝置 之藍色回應可被顯著地改善。然而，該通道終止耗盡的區 域越大，在談MIG層之該信號電荷傳導位能梯度低於譎通 道終止·。其係可進一步瞭解到此一傳導該信號電荷之位能 梯度.，可藉由一結構改善.，例如藉由一不連續的MIG層。 另一個可能性是改變該摻雜濃度，其在該障礙層，或在該 MIG層.，或在鄰近於該1^10層之該本體層，以改善該位能 梯度傳導該信:號電荷。在前發光偵測裝置中，產生於該本 體層之該第二電荷，可藉由該活化區域内之該通道終止收 集，及/或藉由一基板接觸，其位於該活化區域外而在該偵 測裝置之前.面上，及/或藉由一基板接觸.，其.位於該偵測裝 置晶片的邊緣上或在該偵測裝置晶片的背面。. 該信號電荷可藉由只使用一結構之一小電壓來清.除， 其有該第二導電率型之一摻雜區域在該第一導.電率型之該 障礙層中，或該障礙層網摻雜之一局部降低，其係介於該 第二導電率型之該修正閘極層及該第二導電率型之一像素 摻雜間，或藉由一結構，其有一溝槽，介於該MIG層摻雜 及該偵測裝置之該前表面間，而且一閘極控制信號電荷的 流動，從該修正閘極層至該像素摻雜，或至該偵測裝置之 該前表面？穿過第二導電率型之該摻雜區域·，穿過該溝槽 11 1357160 結構^或穿顧障韻摻雜之該局料低。 仏號電荷及表面產生雷# , 由該第二導電率型之一择何、7刀離可被改善，例如，藉 裝置之該前表纽鄉礙層 J 4错由一閘極的結構。 呈現於此專射請*之本發明㈣範性I體化 被解釋為型•咖亥附力，申請專利範圍：:：生不應 用於此專利f請案之該動詞「包含」，為二。使 不排除也綠列舉之特徵的存在。雜於 2艮制， r該特徵’是可自由地相互結合，除非不然有;;= 該新穎的特徵被認為為本發明的技術特徵，被特別 出於該附加的申請專利範圍。然而，本發明本身.，關於^ 結構及其操作方法之兩者，由此一起具有附加的目的及優 點’將從下列特定具體化之說明雨最被瞭解’，當結合伴隨 的圖式一起閱讀。 - … 【實施方式】.、 •第一圖是一輻射偵測裝置圖式的剖面圖，其較佳為薄 且背發光的。該偵測裝置具有一前表面101，其在圖中是 朝向上的。該偵測裝置之該背表面102，透過其輻射進入 該偵測震置，在圖中是朝向下的。在該背表面上或許有一 光學抗反射或閃爍塗層。該偵測裝置之該本體層103是以 一第一導電率型之半導體材料製造。該第一及第二導電率 型，或反之亦然，此提及之正電及負電的摻雜半導體，各 12 1357160 別 '有；過里之正电及負電荷。在該:偵測裝置之該前面 上從》亥月表面至4前表面，具有該第二導電率型之一第 層1〇4，其之後被稱為該修正閘極(MIG)層。在第-圖之 該裝置中，具有邮在該MIGI。在該MIG層的前面， 再具有該第-導電率型之—層1Q5，這裡指定為該障礙層。 在該層105.的上方可被保護絕緣層及導縣，由線路、間 極、電容器等等所形成。
較佳為圖案化的類像素植入m，112，113，114，. 115 具有該第—導電率型，在該障礙層iq5内被製造，在該偵 測裝置之該絲面上，而且之後被稱為像素摻雜。第一導 電率型之偏移通道終止摻雜12卜122，123，· 124，125被 放置於介於或緊接於該像素。該破折號線15G代表一耗盡 〜區域之該大概邊緣’當—偏移電壓Vp連結介於該像素捧 :雜及該通道終止摻雜間所產生U之該具體化中，各 別像素之該耗盡區域是H的，而且該本體層i的之大 夕數如此為相同位能，如該通道終止捧雜。該偏移的 有該第二電荷’其係產生於該半導體_ 匕3該第一電荷產生於該本體層裡面。換 說:第二電荷於活化區•被收集，其包含該像素 不而要傳導_第二t荷於該活化區域外。因此 一導電背面層。 个而要 換雜表面、像素 該通道終止_ 121 =直於祕表面1且它穿透 '、21。在該切.線160及170上之讀電子位 13 月b曲線，對應於該實例，該第一導 θ , 電率型是η型而且第二 導屯率型疋ρ型”被呈現於第四圖。 隹該切線170上之該 罨子位硓曲線403是一純粹的水平结 ^ ^个踝，對應於該距離轴。 μ位此曲線之該純粹的水平部.分對應於中性的區域，而且 該傾斜區域對應於耗盡區域.。該電子位能曲線 402對應於 該切線160，而且代表該實例，當介於該通道終止摻雜及 該像素摻㈣的位能差.為Vp。在該MIG層裡面具有形成 為電=的一三維(3D)位能最小值412，在此實例中其為該信 唬電荷。在此三維位能最小值的電洞數量，可被偵測如一 場影響電晶體(FET)之該有效通道寬度的一耗盡，或如在一 雙極連結電晶體(BJT)之有效基本寬度的一耗盡。在第四圖 中此對應於該寬度415的耗盡。在該障礙層内.之位置‘μ 為3D鞍點，為電子及電洞二者。在該切線bo上之今 電子位能曲線401對應於該實例，當一请除電壓Vc被連釺 介於該通道終止摻雜及該像素摻雜間。在此實例中為電= 之該3D位能最小值412消失，而且該信號電荷、== 像素摻雜所收集。.... 同被該 第二圖較佳為一薄且背發光的半導體輻射偵阀裝置之 圖式的剖面圖，具有間隙於該MIG層，如同在第〜^之詨 裴置然而，在此實例中，介於該通道終止摻雜及^像= 摻雜間之該偏移電壓是如此高，故只有一單一統〜的耗者 區域，其之大概的邊緣如同所見之線250。該像素摻雜2 = 為—寸護環環繞該活化區域。在該切線260及27〇上之， 電子位能曲線被顯示於第五圖。當介於該通道終止捧雜及 1357160 該像素摻雜間之位能差為v 該切線，而且該電子=子位能曲線搬對應於 當介於該通道終止摻雜及該.線503對應於該切線270。 電子位能曲線501對應於該^素摻雜間之位能差為Vc，該 線504對應於該切線27〇刀=線260，而且該電子位能曲 區域513對應於該通道 $曲線503及504中之中性 面的該中性d域，在該在右邊緊接於該裝置之該背
性本體層，盆為浮_ 曲線則姻，對應於詨中 冬㈣八為㈣的。當介 摻雜間之位能差為Vp M 狀、止㈣及雜.素 在該曲線503中存在有:二在該信號電荷積分期間中， ^ ,, 位忐障礙514，為該第二電荷電 =本f層所收集。當介於該通道終止摻雜及該像； 礙二:“為VC ’在該曲線5〇4中不存在有位能障 礙，而該第二電荷在兮栌 ★ ^ 抑私號t荷齡㈣巾找本體層内 被收集.，可以自由地㈣至魏料房雜。 . 圖_^三圖較佳為""薄且背發光的半導體輕㈣測褒置之 ς女剖面圖’具有—連續的層3()4。該破折號線物 :^概耗盡區域之邊緣。在此_裝置安排之該本體； ^動的，就像在第二圖之該_裝置。第三圖之谓測^ 、的操作原理被呈現於第六圖’而且它對應於第二圖： /則裝置之該操作原理。 、 在第-至三圖中的裳置較佳為薄且.背發光的偵 置。在薄制裝置中，該近紅外線應該被濾、除以移除該 緣現象。第-至三圖的該彳貞職置也4被前發光。在此 例該本體層較佳為幾百微米厚，但在該偵測裝置之該前面 15 1357160 上之該耗盡區域只有幾微米厚。由於該厚本體層，不兩 濾除該近紅外線輕射。在第―至三圖中的該搞測裝置= 有附加的層及結構，如抗反射塗層、顏色濾波器、微可 閃爍層等等。應注意的是在該前發光的實例中，在該本兄體 層之該背面上的可能材料層，對於該應用係不必要的，一 在該背發光的實例中，在該震置之該前面上的可能材: 層’對於該應用係不必要的。在第一至三圖中的該偵測裝 置該第一電荷在該活化區域内被收集，藉由該通道終^ 摻雜’例如’ a有導電背面層是需要的。相關於在 測襄置之該背面的該薄導電背面層的製造之困難.，及相關 於如此一偵測裝置之該操作之困難，即可被避免。 第七圖說明本發明之一前發光的具體化.，部分該第二 電何係藉由該通道終止摻雜所收集，而且部分係藉由一第 一導電率型掺雜725 ·所收集’作為與該本體層之接觸。此 ^觸725 ^在該_裝置之該前面上，但它也可在該债測 置之該背表面上，或在該偵測裝置晶片邊緣7〇〇上。如 果該摻雜715形成-像素相較於該接觸725，該通道終 f捧雜較佳為同-位能。此偵測裝置之該操作原理呈現於 第九圖。該耗盡區域的邊界75〇也被描述於第七圖。 •第九圖說明該狀況為當第—導電率型是n型而第二笔 ^率型是p型。第九圖之該曲線9〇1及9〇 _ 76〇上之該電子位能，.其穿透該像素 表在以刀备 應於該狀況為當該像素摻雜U1是連結於：該曲線901 I 曲線902對應於該狀況為當該像素換=該位能Vp，而言 ” 111是連結於該5 1357160 除電壓Vc。該曲線903代表在該切線770上之該電子伋 能。該3D鞍點914為電子及電洞二者，為該第二電荷啦 子形成一障礙。部分該第二電荷因而被該接觸725所^ 集。如果該摻雜715形成一守護環環繞該活化區域，該通 道終止摻雜及該本體層接觸725可為不同之位能 此狀兄 以第十圖呈現。第十圖之該曲線1003代表在該切線77〇上 之該電子位能。在此實例中該中性本體層及該通道終止為 鲁 不同位能，例如，該中性本體層為0位能，.而該通道終止 為Vcs位能。 第八圖代表本發明之另一前發光具體化。在此谓測事 - 置中附加的守護環816,817及818環繞該最内部的守護^ 在這些守護環中是不需要溝槽結構、，由於該結構:性却 層。該層808為第一導電率型之一光學半導體層。詼 層808相較該本體層較佳具有一非常高之電阻性，而且其 較佳藉由磊晶生長製造。該層808可能為一深源，在該實 • 例中其可被結構化。該耗盡區域邊緣850也被描述於第八 圖。如果該光學層808，其係不被使用第八圖之該债测裝 置的該操作原理，精確對應於第十圖，例如，該電子位能 曲線901及902對應於該切線860，而該電子位能曲線丨〇〇3 對應於該切線870。如果該光學層808，其係使用只對於第 十圖之差異’該位能曲線901 ’ 902及1〇〇3必要地終止於 該層808及該低電阻性基板之該界面。該光學層8〇8較佳 由第一導電率型之半導體材料製成，但它也可由第二導電 率型之半導體材料製成。然而，這將需要一程序，其為深 •1:7 1357160 的溝槽被蝕刻透過此光學層，為了避免由於該偵測裝置晶 片邊緣之.南的·電流)食漏。 應該注意的是，在第七及八圖之該偵測裝置中的該通 道終止可為浮動的，意思是該第二電荷將運轉從該通道終 止至該本體層，該通道終止係跨越形成於該MIG層中之一 位能障礙、其將被該本體層接觸725所收集。在此實例中， 該通道終止為浮動的，該半導體材料為矽、二氧化矽，被 使用為絕緣材料，而該第一導電率型為η型，不需要通道 終止摻雜（此後之二氧化矽被稱為氧化物）。在此實例中， 該正電的氧化物電荷產生一電子的累積層於該氧化矽界 面。此二維(2D)電子氣體層作為一通道終止。一 2D電子或 電洞氣體層也可被人為地形成於該半導體絕緣界面，藉由 使用一適當地偏移的MOS結構。在此實例中，該2D電荷 氣體層與該MOS結構形成該通道終止。該通道終止區域因 而可被形成，藉由2D電荷氣體層或該通道終止摻雜，或 其二者。呈現於第七及八圖之债測裝置在該MIG層也可有 間隙，如同第一及二圖中之偵測裝置。如果該通道終止及 該本體層偏移位於不同位能，在該MIG層中之該間隙如此 必須沒有電流運轉介於該本體層及該通道終止間。如果該 通道終止不偏移位於不同位能，在該MIG層中之該間隙可 任意地寬。在此實例:中，該通道終止若不是浮動就是位於 相較於該本體層之相同的位能。 重要是注意第七至十圖不是依比例，因為事實上該本 體層較呈現於圖中厚許多，例如，該本體層較佳為幾百微 1357160 米厚。該本體層較佳為一.低電.阻性的，.例如，相較於多、 於檔案 PCT/FI2004/000492 及 PCT/FI2005/000359 之大部# 本質基板為一較低電阻性。在第七至八圖之偵侧装ί中 部.分該第二電荷藉由該通道終止.掺雜在該活化區威内被收 集，而部分該第二電荷被傳導透過該本體層至一碁板撰 725。由於該前發光且由於該低電阻性基板，沒有導電背面 層是需要的&相關於在一薄偵測裝置之該背面的該薄聲· 背面層的製造之困難，及相關於如此一偵測裝置之该棘作 鲁之困難.，.即可被避免。 :之前描述介於背及前發光偵測裝置之具體化的多要矣 - 異為’前發光偵測裝置較背發光偵測裝置便宜製造。俱前 • 發光债測裝置具有二較小的填滿.因子，洄此具有在圩劣光 譜中較小之量子效率’相較’於背發光偵測裝置。： '广第十一圖說明本發明之一具體化，可只使用一小電麈 清除該信號電荷，例如，該像素摻雜不必為了移除該信號 籲 電何而連結於一清除電屋。該區域1191缺:少該.層.，. 意思是該區域1191對應於一 MIG.層遮罩。.在.談.MIG層之 該間隙1.19.1有助於§亥彳3號電何.的收集」.藉由改善在該mpg 層中之該信號電荷傳導位能梯度。該通道終止摻雜:丨丨2丨收 集該第二電荷。在第十一圖中有四個像素，該切線:118〇部 分地切開二個像素。該線1181及1182不是該物理結構的 一部分，但只說明該櫸念上的像素分開。該切線118〇 (其 自:然也不是該物理結構的一部分）對應於由第十三圖呈現 之該剖面。該第二導電率型之該像素摻雜.113丨:，:1132.，及 1357160 1133·為源極及汲極掺雜，為一雙金屬氡化物，之半導體場效 電晶體(MOSEFT)，屬於一像素，而該導體1341及1342為 該雙MOSEFT之該閘極。該像素摻雜1335，1336及1337 為源極及汲極摻雜，而該導體1344及1345為該雙M〇SEFT 之該閘極，屬於另一像素。該信號電荷被收集在該MK}層 摻雜之該光學局部.提升B92，其位於該閘極之下。該MIG 層摻雜之該光學局部提升低於一 FET之該閘極，或低於一 之該發射體，改善削貞職置之雜態區域。該信號 電:可在該像素内被移動，介於該MIG層摻雜之該光學局 部提升1392間，藉由適#地偏移該源極及没極摻雜及該閉 極。此達成該信號電荷可多次讀取，可減少該讀取雜訊。 在該裝置之該前面有談第二導電率型之一像素 =第作為-清除接觸。介於該谓層及該清除接觸^4 ^第-導電率型之—摻雜區域1393，其可藉由 I的植入所產生。選擇性地該區域 1334及1393代夺一、、盖 槽，可以由該第二導電率 、^ / 荷的流動，從兮+導 填滿。該信號電 該]V1IG層透過該區域1393， 1343所控制。 」猎由一閘極 广，l 排達成可使用一低電壓清除該信號雷 :匕可破作為一抗繁盛的結構。該層早 材料。.重要的是注意該切=也可為其它絕緣體 接觸^ 了日㈣沒被呈現^=_層13G7.及該 壓清本:，另-具體化，可只使用-小電 何。忒概念性的分開為四個像素是類似於 20 1357160 第十一圖。該通道終止摻雜12 12 80對應於藉由第十四圖呈$ 收集該第二電荷。該切線 MOS.閘極1343被該苐〜導=之〜剖面圖。第十—圖之該 可作為一連結閘極，控制該=率型之一摻雜1443替換，其 至該制裝置之該前表面^流動，·從該娜層 之一環形像素摻雜1433.所縫雜1443被該第二導電率型 該源極及汲極摻雜。該第—圍繞，作為四個雙MOSEFT之 電荷清除接觸，使用二率型.摻雜1434.作為該信號 其被沉積於一溝槽之該胖 1494連結於該]VIIG層， 氧化矽、其為正電荷：：：二該絕緣體材料1494較佳為二 維(2D)電子氣體層被形成t心電的氧化物電荷，二二 第-導電率型為p型，而該二：矽及矽的界面，。如果該 荷為電子。如㈣錢電^導鲜為㈣、’該信號電 從該卿層至該摻雜1434電^動於該20電子氣體層， . 如果該閘極1443適當地偏移 通道終止撿魅m ㊉大，如同在第十二圖中之該 多雜1221，如果該絕緣^ ^ ^ ^ 如果該第m㈣⑷謂厚13°7疋正電何而 此實例中，、 而該第二導電率為n型。.在 i該為結構性低f該大區域的.通祕止摻雜如。.如 以巴、' 1307是正電荷，而如果該第一導 型，而該笫-植於旁兔 千主馬n 如同在楚—導電率為？型，該通道終止摻雜可以非常小.， 十一圖中之該通道終止摻雜1121。:在此實例中存 2D電:子氣體層.於一界面介於該絕緣體層13〇7及 =半導體材料，處二除.了於該像素摻雜133M337及讀 二：：：中密的接近。該2D電子氣體層及該絕緣 八;止，作為-， 二“am 電子氣體層傳導該第 =何至㈣im，而且該大區 雜咖.可做-成非常.薄.，由於該事實為在第一= 的量子效率。知的純权現窗使縣光有良好 。使明本發明之另一具體化之四個像素，其可 像素是類;二=f號電荷。該概念性的分開為四個 收集該第二雷# 十一圖。_狀通道終止換雜1521 的；體㈣:成雜1521外，正電荷 .面，其_1 電子⑽層於魏㈣半導體界 缺少請G層^ :窗’且作為通道终止。該區域服 應於藉由第十六Π1580，1581，1582及⑽分別對 轉，2形成一源極./，而且該間= 沒極，且兮門=像素捧雜1635，1636及1637形成源極及 辦雷1644 ? 1645及1647屬於另一像素。該信 二94 :: :!雜1634連結於該MIG層，透過-絕緣體層 偏移=藉由體層1695而轉換。該導體層侧可 電何氣體層形成於該絕緣體及半導體材 之界面。该導體層1695及該閘極1643，1646及164?即 可控制號電荷之流動，從該MIG.層至該摻雜1634。該 22 1357160 $咖為有利的但非強制的。可以分開㈣极為四 一像素之不同的部分（此也適用於該閉極13 果適當性地選擇該導體材料，也可能只使用該導體 而不用該絕緣體材料1494。於此案例中該單一带^層1695 該導電層⑽5所㈣。. 〜係可被 應注意的是該第·]、十二及十五圖中之像素 2的。該通道終止區域，其包含該通道終止摻雜 汉〜可能的2D電荷氣體層的區域，應該涵箸 全部區域的-大部分，為了能使得藍光有之該 。、°屬於一像素之該通道終止區域與該全部像素區域之比 率為至少〇.3。有利地此比率應該多於該比率〇 *，°°〇 5 〇 6 對=0.8 ’0.9,該.0.9對應於該最有利的比率，姆Μ 對應於該最低有利的比率。 、也有價值注意到，在該MIG層中之該間隙，不是唯一 =去可改善在該MIG層巾之信號電荷傳導位能梯度。也可 己變該摻雜濃度，在該障礙層中，在該mig層中 2述G秋讀射4麵可能降倾提升該腦 二摻雜，例如藉由適當陳人物或鮮結構。局部性提升 =障礙層摻雜，局部性降㈣MIG層摻雜，.及局部性提升 緊接於該刪層.#狀本體層._，為在該腦層内之 ^號電荷產生局部位能最小值。—方面藉由局部性降低該 =礙層掺雜，.局雜提升該MIG層摻雜，及局部性降低緊 接於該腦㈣狀財闕_，能為找廳層内 之“號電荷產生局雜能最滅1㈣纽地結構化在 23 1357160 =MIG層中之提升或降低，可改善在該MIG層中之信號 電荷傳導位能梯度，以-相_方式，相較於在該MIG層 摻雜之間隙。該信號電荷傳導梯度如此應該為一適當的梯 度存在於該MIG層中各處，傳導該信號電荷朝向需要的地 區，其例如為該圓層摻雜之局部提升1392。該漏層 摻=之局部提升也可被結構化，藉由增加點至該播雜^ ^:一星星’為了增加在該MIG層中之信號電荷傳導 月匕梯度？如果該通道終止區域對該全部像素區域的比率 二’或許可以強制同時使用前述的幾個方法以取代 =度以保證4夠大的在該卿層中之信號電荷傳導位 另一重要的方面為，除了該第二導電率 ⑽連結該腦層及該清除接觸1393，也可使用^ = 礙層摻雜之局科低。辦礙層摻 =且被該清除閘極，所圍繞。該障=觸 型局部降低之網摻雜濃度，對沒有該障卿:： 在第一導電率型障礙層掺雜之網摻雜i;: 比革為小於0.9。有利地該比率應該小㈣心7農=該 右，0.3’0.2及ο.1，0:8為最低有利的比率n’0·5 =彳的比率。該信號電荷的移除需要一較羊:广為 ::=393’透過該第-導電率型之障之： 树低，相較於透過該第—導㈣雜之局 1393相較於該障礙層推雜之局部降低因； 24 1357160 第十七A、十七B及十七C圖之具體化，說明改善該 信號及表面產生電荷的分離之方法，以及改善從該本體層 收集第二電荷之方法。第十七D、十七E、十七F、十七G 、十七Η及十七I圖·說明附加的方法，以改善該信號及表 面產生電荷的分離。該像素掺雜Π31，1732及1733形成 該源極及汲極而該導體1741及1742形成該雙jMOSFET之 閘極。該通道終止摻雜1721.收集第二電荷。 .從該本體層收集該第二電荷可藉由填滿溝槽來改善。 • 第十七Α‘圖中之溝槽被第一導電率型之半導體材料1726 填滿；第十七Β圖中之溝槽被絕緣體材料1727填滿；而第 - 十七C圖中之溝槽被絕緣體材料1727及導體材料1.728填 _ . 滿:。如果該導體材料選擇適當，可從第十七.C,圖之裝‘置移 - 除該絕緣體材料。第一導電率型之該半導體材料1726，也 可藉由一複數個具有不同能量之第一導電率型的深植入物 來代替。該結構Π26，1727及1728的操作原理，改善從 φ 該本體層收集第二電荷，如同該結構1393，1494及1695 的操作原理，從該MIG層清除該信號電荷。然而在此實例 中，第二電荷被收集以取代信號電荷:。在具有一薄本體層 之裝置中，該填滿的溝槽Π26 , 1727及1728可穿透該全 部本體層。該收集第二電荷可進一步改善，藉由在該MIG 層中之一間隙1791，環繞該填滿的溝槽1726，1727及 1728。該填滿的溝槽1726，1727及1728可具有任何形狀.， 例如為圓柱形，或它們可環繞該全部像素。如果該溝槽足 夠深，.第五及六圖之該中性本體層位能可被帶到該通道終 25 ⑺7160 止位能’對應於第四圖之情形。 ⑺在第十七A至十七F圖中之該第二導電率型之該摻雜 二’⑺2及m4，第一導電率型之該摻雜及該閘 73及1776 ’改善該信號及表喊生電荷的分離。在 弟十七A圖中之該第二導電率型之該摻雜Η?〗 f的’導致於-通道為了該第二導電率型之該表面產2 何此通道導引該第二導電率型之該表面 物雜叫，在第十七D圖中之該； 垔之该摻雜1771,環繞該通道終止摻雜17 “ 4AA Α 成孩雜 1774 3像素摻雜被分離，但相同地可達到該像素摻雜，如同 :七Α圖中之該摻雜1771。該推雜1774在此實例中 疋較佳為耗盡的。該耗盡的區域可藉由在第十七 ，該閘極1773之該偏移來控制。第十七F圖中之; =通道，被形成低於該陳，改善該錢及表面產 分離。該掺雜1772及1775改變在該裝置中之該位 了 曲線’為了改善該信號及表面產生電荷的分離。除 =二導電率型掺雜1771，也可使用一第一導 雜，其較佳為部分耗盡的。.. 主矽 為了避免該第二導電率型之摻雜1771，形成介於該像 素推雜1731，1739 β日 > 豕 •及1733間之—導電通路，該摻雜1771 ^為結構化的。此結構之—具體化呈現於第十七g圖， ^雜1777對應於該摻雜177卜該切、線178〇及178 …於呈現在第十七Η及十七！圖中之剖面。在第十七g圖 26 1357160 中’介於該摻雜Π77及該閘極1741及π42及該源極/没 極摻雜1732間之最小距離的比率，有利地大於〇1倍該介 於該源極/汲極摻雜之該距離L。有利地該比率應該多於
0.2L，0.3L，〇.礼，0.5L，0.6L，0.7L，0.8L，0.9L，L，1 2L ，1.5L及2L，該第一個為最低有利的比率，而該最後一個 為最有利的比率。、 第十八A、十八B及十八C圖之具.體化說明改善該偵 ’則裝置之该動態區域的方法，例如’改善該M.IG之該信號 電荷容量。該像素摻雜1831及183.3為源極/汲極摻雜，而1 該導體1841及1842為一雙M〇SEFT之該閘極。該mg '層之該彳§號電荷容量已經藉由該MIG層摻雜之該局部提升 1392來改善d在第十八A圖，談MIG-之該信號電荷容量 可進一步藉由使該源極/沒極摻雜1832更寬來改善，以及 可藉由在該MIG層中增加一間隙1891 介於該Mm層摻 雜之該二個局部提升1392。在第十八B圖中，該从之 • 該信號電荷容量可藉由切開該源極/汲極摻雜1832為二個 分離的部分1834及]835來改善，而且藉由增加一問極胸 在其中。在第十八c圖.，該信號電荷容量可進一步藉由增 加該第二導電率型1836之一摻雜及二個閘極1844 ^ 1845’’介於該二摻雜1834及1835間。 •該MOSEFT y只是一可能的電晶體可被用於 MIG。在第十九圖中，MOSEFTs被BJTs替換。該第二^ 電率型之該像素摻雜1931及1932為該基本的捧雜 該第一導電率型之讀掺雜1951及1952為該BJTs之該發射 27 1357160 體摻雜。遠第一導電率型之該通道終止摻雜 BJTs之該集電哭^ 作用為該 由該發射體發射。除=二=率=該電荷’其係藉 該有效基本U。i 之該錢電荷降低 體雷治、4MIG之該信號電荷因而增加該發射 /;,L 〜a可被測量’而且該信號電荷之數量可從此 =推論。該像素摻雜卿包含一附加的扣1974 β^ 之—局部提升1929，低於該像素。 …加在4MIG之該電㈣件，討料該信號電 2月朝向該MIG層摻雜之局部提升1392。該障礙声之、 =升的形式切叫樣方錢構化，彳目胁錢MIG層摻 雜之該閘極1191及1591。 曰/ 播在^二十圖’肖M〇SEFTs被連結場效電晶體_丁） '〜_摻雜被MQS閘極肩及2() 摻雜2031及2032作用白供这像素 素摻雜也有-㈣4娜”雜，該像 .在=有介紹至今之包含該娜的該.電晶體，在梦爾 一之該信號電荷降低該有效通道或基本寬度。第^ —十二圖制包含該MIG H體，在該 :^ 號電荷增域有效顧錄本寬度"中之該信 像素摻雜2131及2132作用 ^一十—財，該 摻雜2⑸及2152作用為;二： ==多晶半導體材料形成，如以多=夕= — 素摻雜屬為—連續層，嵌人該通道終 28 止检雜222卜在第-導電率型之該像素摻雜歷中，也 有二MOSEFTs之該源極及汲極摻雜2251，2252，2253及 2254。該導體2241及2242為該二M〇SEFTs之該閘極。 第二十三及二十四圖說明半導體裝置，其可被用於記 憶單元或電晶體，。該第二導電率型之該摻雜2331及2332 為及極及源極，而遠導體2341為一 MOSEFT之該閘極。 5閘極2342控制該k號電荷之該流動，從該第二導電率型 之該摻雜2333透過第二導電:率型之該區域1393至該ΜΚ} 層。在第二十四圖中，該购卿了被替換為具有該第二導 電率型之一基體2431之一 BJT，以及該第一導電率型之— 發射體2451。在第二十四圖之裝置中，該填滿的溝檜1494 及169.5 有如同‘在第二十三.圖中.之該捧雜區域1393的相 同功能/如果第二十三及二十四圖之該裝置被使用為記憶 格’充滿信號電荷之-MIG及不具信號電荷之一爾對 應於1及Ό或反之亦然。如果第二十三及二十四圖之該裝 ，被使用為電晶體’該MIG層可能被㈣地摻雜，例如:， 它可能為中性的内.部’而且它在該電晶體中形成一第四節 點，.除了在FETs之該源極、沒極及閑極外，以及除了在 BJTs之該發射體、基體及集電器外。. 仍然具有-方法來操作該MIG侧農置:，而該新穎的 MIG偵測裝置尚未被介紹 。在此實例中，一 FET之該源極 、i極及閘極位能’是如此低於該閘極之該通道被關閉， 例如介於該源極及練卩林存在電流通路。如果該源極及 汲極掺雜為相同位能，可只使用-像素摻雜以代替二個分 29 1357160 ，的像素摻雜(參考第二十五圖 ==裝置中，信號電荷將流動到該獨。此:在該 精準計'時。新親的_負測衝可被用為該事件之 '式被呈現於第二十五至三十2制於關雜號制模 2580 圖。在第二十五圖之該切線 及結—十六圖樣树2_ 七Λ圖之剖面。該選擇性通道坎 心、呈見於弟一十 2731及該得極2741之該位能^雜則、該像素摻雜 導體絕緣體界低於該閑極之該半 半導體絕緣體界面被鎖在該像素推極㈣。如果該 有低於該閘極之一通道，沒有产赛志月b，例如，如存在 號將在該間極中.被產生，當二;有一非常微弱的信 信號電荷被清除，例如藉由應用抵達該MIG。該 止摻雜及該像素摻雜間。 β *偏移介於該像素終 第二十五圖之該閘極信號MIG 讀出晶片。在此實例中，該像素㈣貞:，被結合於一 或行的像素之該能性是連結一列 裝置。該條_裂置達成可 時為了形成-㈣測 訊。再一個可能性是分開該閘極為=及—維⑽位置資 中之問極訊號MIG娜置係第二十六圖 2_對應於呈現於，第二十七A圖之气面貞測裝置且該切線
面。在該第二十七B 30 1357160 圖中之第-十’、圖之閘極信號MIG偵測裝置被—絕緣體層 2707所環繞’在它上面是—金屬覆蓋㈣。該選擇性的金 屬覆蓋2742進一步降低該偵測裝置之該.雜訊。 第二十八至三十一圖令之該條偵測裝置，代表該閘極 信號MIG#測裳置之不同具體化。在第二十八圖中，該問 極^841被連結於—第二層金屬·，其用於連結在一列 或订的像素巾之閘極。該像素摻雜在此實例巾分為二個部
tr31日，2832。在第二十九圖中之偵測裝置相較於在第二 十六圖是相同的，险了兮你 2931，293 ㈣2731被分為—些部分 極之該像素㈣Λ 之不連續線對應純於該閘 同樣的實施也應用於第三十及三.十一 圖‘。在第三十圖中之兮# 接著為μ 裝置只有—像素推雜3031，景 ，者為一個閘極3G41及3〇42。在第三十— 閘極3141及一諸多像素摻 ，、有 升可位於如低於在第” 131。$ MIG層摻雜之一 /至.三十.一圖中之該間:κ Μ =支術之條谓測裝置被呈現於第三十五八及:十_ 353i所= 二十/ Α圖之•構，該信號電荷藉由;… ，所收集’其改變了該摻雜則之該位能 信號至該閘極3541，其被保持為固定的位二 雜迎除了收集該本體產外表、二^ 流。此茂漏電流也導致在該 =:產生， 此割貞縣置中，該表面產制、以的平方根Μ 體產生電流，而在第三十五典型為約2G倍高於該^ 一 A时之該條_«㈣_ 31 1357160 第三十五B圖中之先前技術裝置，該摻雜扮2 ^ .收集該表面產生電荷，意思是該摻雜3531 σ你隹 林體產生電流。然而，該摻雜3532及3533也收隹都: "亥4。號飞荷。如此該信號對雜訊的比率在第三十五刀 ”裝置中，相較於在第.三十五八圖之該條偵剛护之 ’是典型較差的。該信號對雜訊的比率在第三十五、置 之該條偵測裝置中，及在_極信號ΜΚ}偵測 Α圖 =艮谷，比較。在第三十五八圖中之該裝置的該寄可 王°卩電谷之比率是接近0。在該閑極信號MIG裝置;_比 = 比率大約是.〇.5,導致相較於先前技術 置為一 +小的信號。然而，在該MIG偵測裝置 裝 換雜收集該表面產生電荷，而且該腦二像素 電荷。因此，在第三十五A圖中之該先前技〇 訊’為20的平方根高於在該MIG债測裝置令。、雜 該刪偵測裝置中之該信號比雜訊的比率，被’在 倍高於在第三十五A时之先前技術制裝置。·’、、’2:2 .該信號電荷也可能被傳導穿越一些像素至一、 素’該信號電荷的數量可被测量。呈現在第四十四^出像 之裝置即為此裝置之-範例，其可.以相同方式操作，A + 於一電荷偶合裝置(CCD)。當該第一導電率型^該，相較 雜4431，4432及443.3的位能被循環性地改變，^产紊摻 荷可於該MIG層中傳導。該像素摻雜也操作為抗鱿電 構。在該MIG層中之該信號電荷，可藉應用―二的結 除，其介於該通道終止摻雜4421及該像素摻雜。二果 32 1357160 置為前發光的，該通道終止摻雜區域的尺寸應該要大，為 了監光有一良好的塁子效率。該切線4480及4481對應於 由第四十四B及四十四C圖呈現之該剖面。. 第二十二B炱二十二D、三十三A至三十三c及三十 四A至三十四D圖’代表該新穎圓躺裝置之不同製 造方法的實例。.這些程序的起.點為第一導電率型之該裸式 板103 ’呈現於第二十二A圖中、呈現於第三十二B至： 十二D圖中之製造程序類似一 CM〇s程序、在第三十二二 圖中、’二個遮罩夕驟、二個第二型植人.物及—個輪= :’為了形成一源3204及一摻雜區域3292，二者比 =電率型。該源遍被使用於形成該.腦.層，，:= 升：摻雜區域3292刪於形成該腦.物 植^苐三十二〇圖中…遮罩步驟、第—導電率型^ 物及一個輸入被執行’為了.形成第一導電率型之二 小一 1源3205作為該障礙層。在第三十二：D圖中〜琢 罩步驟及植人物被執行.，以形成第二導電率型= 性的雜3231。該第二導電率型之該換雜3234為= ，可破執行以形成如通道終二物步 紹·雜區域。之後一退火㈣被先前介 緣趙及金制及穿過該絕緣體層之通^後”為麵成該绝 遞、:二第-十三八圖中〜 弟等冤羊良之植入物及一個輸入被執行， .33 1357160 為了形成第—導電率型之源3305。該源挪作用為該障 礙層。在第三十三Βϋ中’二個遮罩步驟及第二導電率裂 之二個高能深植入物被執行，為了形.成該MIG層3304及 該MIG層摻雜之該選擇性的提升μ%。—遮罩步驟及一第 -型植入物在第三十以圖中被執行，為了形成該像素摻 雜3331。談第二導電率型之:該摻雜3334為一選擇性的信 號電荷清除接觸。該區域3396為該網障礙層摻雜之一局部 降低’位置低於該清除接觸.。在此顧，其它遮罩及植入 物步驟也可被執行。之後—退火步難執行，其係在形成 該絕緣體及金屬層及穿過該絕緣體層之通孔後。該源33〇5 形成該障礙層，可藉由使用—中等能量植人物㈣地製造。 呈現於第三十四A至三十四D圖之製造程序類似一 BiCMOS私序。在第.二十四a圖中，二個遮罩步驟及二個 第二導電率型之植入物及一選擇性的退火步驟被執行，為 了形成該MIG | 3404及選擇性的該.MIG層摻雜之提升 3492。在第三十四B圖中，該第—導電率型之一蟲晶層34〇5 被生長於該半導體基板1()3上。該屢晶層烟型成該障礙 層。在第三十四.C圖.中·，-遮罩步驟及―第—型植入物被 完成於該蟲晶層3405’.為了形成該像素摻雜3431及該選 擇性的清除接觸3434。在此期間’其'它遮罩及植入物步驟 可被執行，以形成如該通道終止。在第三十四B圖.中呈現 -選擇性的遮罩及第二導電率型之中等能量植入物步驟， 為了形成H摻雜3493，介於該.清除接觸期及該 腿層.3404。應注.意的-是.，如果此第二.型中.等能量植入物 34 1357160 的劑量低，在低於該清除接觸3434只會導致該網障礙層摻 雜之一耗盡。 應注意的是之前呈現之製造談新穎MIG偵測裝置的方 法只是例子。除了它們存在許多的其它方法。之前介紹之 該不同方法的不同程序步驟，也可以任何適當的方式或順 序結合。該基板接觸及該通道終止摻雜未被呈現於第三十 二A至三十四D.圖’但如.同已強調的，它們在適當的情形 下可加入程序流程。該薄且背發光的裝置如可從第三十二 ® D、三十三C及三十四D圖製造:，.藉由研磨該本體層1〇3 之該背面 或错由製造第三十二D、三十三.C及三十.四_D ^ 圖之該裝'置在一 SOI晶圓。該SOI晶圓具有二個半導體 層’而介於其中一絕緣體層。在其它半導體:表面被處理後， 窥半導體晶圓的其它面可被银刻低於該彳貞測裝置之該活化 區域，直到達到該絕緣體層。之後該絕緣體層可被姓刻移 除’之後該處理的半導體層之該背.面，例如該本體層，可 鲁 被如一抗反射塗層覆蓋。 該第一導電率型可為η型’而·該第二導電率型可為 型0第十一至三十四D圖及四十四A至四十四C圖之具體 化可應用於前及背發光偵測裝置二者，而且可使用它們的 任何結合。重要的是注意，該呈現於第十一至三十四D圖 及四十四A至四十四C圖之具體化及.程序.，也可用於由檔 案 PCT/FI2004/000492 及 PCT/FI2005/000359 呈現之該 MIG 偵測裝置，而且具有導電背面層。該像素可具有任何形狀 或形式以取代呈現於第十一、十二及十五圖。也可使用以 35 1357160 $代該雙電晶體像素單—電晶體或多電晶體像素。 5買取該W電荷幾次，在雙電晶體像 電曰體本 使用任何單極或雙極電晶體。一 FET或 = 象素 發射體的該源極可為浮動的，而且它可連結至— 該 被環繞#由較佳為環型守護結構，其由挪^構 或摻雜所形成，為了增加該像素區域。本發明之該摻雜\ 可以任何可能的方法歓做，使用具有不同遮罩、 量、不同劑量及不同導電率型之植入物。在-些實:b 該摻雜也可以適當的金屬接觸代替，例如以⑽如c / Schcmky型接觸。該半導體材料較佳為矽，但任何=二或 導體材料也可❹。該半導騎料刊如為錯。該接= 口透過該絕緣體層1307，及該接觸至該不同的摻雜未被= 不。該通道終止摻雜在第七及八圖之該裝置為選擇性的， 而它們或許為浮動的。可使用一抗反射塗層、閃爍塗層或 微透鏡於前及背發光偵測裝置二者。曰友 可獲得在- MIGFET之該MIG中的信號電荷數量，例 如可藉由測量在該閾電壓的改變.，藉由測.量在透過气 MIGFET之電流運轉的改變·，或藉由測量在超過一已知♦ 阻器之卞電壓輸出的改變（該輸出電壓的改變對應於在= 過該MIGFET之該電·流運轉的改變。可獲得在―migbjt 之該MIG中的信號電荷數量，例如可藉由測量該發射器電 流的改變，或藉由測量在超過一已知電阻器之一電壓輸出 的改變，該輸出電壓的改變對應於透過該發射器之該電漭 36 1357160 運轉的改變，或藉由測量在該基體或該發射器閾的改變。 該基體閾被稱為該基體電壓於該基體電流開始運轉時。也 有其它信號電荷讀出系統，而所有該讀·出系統可能包含如 電容器、電晶體及電阻器等。 .重要的是注意到，該MIG使得非常少量的信號電荷被 債測到。此可藉由一測量達到，當有信.號電荷在該MIG時， 藉由從談MI.G移除該信號.電荷，藉由一測量當沒有信號電 荷，藉由將該第一個測量減掉該第二個測量，且重複做η 次。結果該讀取雜訊將會是，一測量之該讀取雜訊被η的 平方根所除。然而，此不是唯一的方法來偵測少量的信號 電荷。使用適當的操作電壓、，以此方式也可設計新穎"MIG 偵測裝置（及該MIG偵測裝置），該信號電荷傳輸從該:MIG 且·回到該MIG，導致該信號電荷大量增加。此大量增加的 循環，在該信號電荷已乘於NxmAn後，可被執行η次，m 為一單一信號電荷傳輸之該大量增加的增益。該二個方法 的第一個達成一較高的動態區域。然而，該二個方法也可 被結合，例如，可執行第一個方法後執行第二個方法。第 一個方法，例如該多次讀取方法，可以較低的應用偏移電 壓被執行，而該第二個方法，例如該大量.增益方法，可以 較高的應用偏移電壓被執行。如此一結合的方法具有相同 的動態區域，相較於該多次讀取方法。. 在第十-*、十二及十五圖呈現一群組的四個像素，該 各別像素之前表面或後表面，可以一顏色濾波器覆蓋，而 且可能以一或多個微透鏡。該最頂及該最低的像素，例如 .37 丄 357160 可有一綠色的顏色濾波器，而該最左及.該最右的像素，可 分別有一藍色或紅色的顏色濾波器。在第十一、十二及十 五圖中之該偵剩裝置的前或背表面，也可以一單一顏色濾 波器覆蓋，而且可能以微透鏡。在此實例中，光較佳被分 為三個不同的成分，例如紅、綠及藍，而且較佳地三個分 開的晶片被使用於相機。應注意的是所發明的偵測裝置應 該被指定’如此在該障礙層.中不存在有中性區域’介於一 FET之該通道及該MIG層間，而且介於一 BJT之該基體及 該該MIG層間，.因.為..此一中性區域增加測量的雜訊。也應 該注意的是所有第一至三十五B圖非依比例，而且所有呈 現於第一至三十五B圖中之該閘極及金屬層可使用可穿透 的導體形成。也有利使用自排列結構，為了降低該遮罩的 錯位排列。除了使用方形的FETs，也可使用圓形的FETs。 該等圖式非依比例，因而該通道摻雜之該區域比呈現於該 等圖示中大很多。在該裝置中也有附加的層，如果它們不 會影響該MIG之該操作原理。此附加的層例如為第一或第 二導電率型之半導體材料的薄層。 在該偵測裝置晶片上也有讀取及選擇電子。對應於本 發明之一具體化的一裝置 > 其包含一偵測裝置，也包含其 它半導體晶片，其中一些可能有與該偵測裝置之該像素結 合的連結。此達成建造非常小型的結構，包含偵測、.放大.、 讀取，而且在一些情形中甚至儲存於非常小的空間，如一 MCM(multi-chip module)。 - , .第三十六至四十三圖之2D模擬結果證實讓MIG偵測 38 裝置概念的可行性。第三十六圖代表一 MIG偵蜊裝置， 属'有一η型本體層103、一 p型MIG層1〇4及η型障" 1〇5。該ρ型像素摻雜3631 , 3632及3633作用為源本層 =摻雜，該閘極3641及3642被使用為測量及.傳導哕产及 毛荷，而且該通道終止接觸3621被使用為信鱿電^ 除。該MIG層掺雜之該提升3692收集該信號^二凊 :形其為電洞。顯示於第三十六圖之情形，純粹在： 電荷已經藉由剌-清除電壓至通道終止簡而清二 第三十七圖顯示該情形為’一些本體產生電洞累二 & MIG層摻雜之該局部提升之後。在第三十八圖'，'在^ 犯層掺雜之讓左邊局部提升的所有電洞，被移至談二 ^摻雜之該右邊局部提升，藉由應用適當的電 像素摻雜及該閘極。在第三十九圖’在該刪層軸= 升的該m傳輸至該MIG層摻雜之該: ’猎由躺適當的電壓暫態至該像素摻料該閘極 口=疋注意所有在第三十六至三十九圖的位能為相同的. …有該電洞的位置不同。第四十圖顯示在該臟層捧雜 =局部提升⑽電洞濃度，㈣时示在該咖 曰'^雜之該局部提升的該合併電洞濃声。 接觸tr十二圖中’該p型像素摻^ 4233、該p型清除 ί觸4234、該n型清除閘極4243及該η型摻雜彻的位 二二如此為電雜累積於低輯φ型像素摻雜仙之該 =在第四十三圖’該清除閘極位能被改變，而談電 洞可自由_，㈣蘭層錢清轉騎 39 1357160 4293 °此外’前述介紹的效果，該模擬已經顯示在閾電壓 的改變可多於1〇〇微米。 【圖式簡單說明】 第一圖說明本發明之一具體化。 第二圖說明呈現於第一圖之該半導體輻射偵測裝置的 改變偏.壓結構。· 第二圖說明本發明之另一具體化。 第四圖說明呈現於第一圖之該偵測裝置的電子位能， 其使用電洞做為該信號電荷。 第五圖說明呈現於第二圖之該偵測裝置的電子位能， 其使用電洞做為該信號電荷。 第六圖說明呈現於第三圖之該偵測裝置的電子位能， 其使用電洞做為該信號電荷。 第七圖說明本發明之再一具體化。 第八圖說明第七圖之該半導體輻射偵測裝置使用守護 結構。 . ♦ - . . ·. 第九圖說明呈現於第七圖之該偵測裝置的電子位能， 其使用電洞做為該信號電荷。 ，. 第十圖說明呈現於第八圖之該偵測裝置的電子位能， 其使用電洞做為該信號電荷。 . 第十—圖說明本發明之一具體化的四個像素。 第十二圖說明本發明之另一具體化的四個像素。. 第十二圖說明呈現於第十一圖之該偵測裝置的一剖面 圖 圖 面圖 面圖 面圖 第十四圖說明呈現於第十二圖之該.债測裝置的一剖面 第十五圖說明本發明之再一具體化的四個像素。 第十六A圖1¾明呈現於第十五圖之該偵測裝置的一剖 〇 第十六B圖說明呈現於第十五圖之該偵測裝置的一剖 〇 ‘ * ' · 第十六C圖說明呈現於第十五圖之該偵測裝置的一剖 .第十六D圖說明呈現於第十五圖之該偵測裝置的.一 '面圖 , i ' " ' ： - 第十七A圖說明本發明之—具體化。 第十七B圖說明本發明之.一具體化。..第十七C圖說明本發明之一具體化。. 第十七D圖說明本發明之一具體化。 第十七E圖說明本發明之一呈第十七F圖說明本發明之—具體化。 第十七G圖說明本發明之一且體化。第十七Η圖說明呈現於第十七㈣之該㈣裝置的一 ^ 圖。 第十七i圖說明呈現於第十七⑽之該偵測裝置的一 呐曲圖。. 第十八A圖說明本發明 之一具體化 41 1357160 第十八關朗本料之—具體化。 第十八c®.朗本料之—具體化。 第十九圖說明本發明之一具體化。 第二十圖説明本發明之一具體化。 第二十-圖朗本發明之—具體化。 第二十二圖說明.本發明之—具體化。 第二十三圖說明本發明之一具體化。 第二十四圖說明:本發明之一具體化。 J :二】::::f•信號修正内部_貞測裝置。 一具= 信號修正内部開極价測裝置之另 第二十七.A圖說明呈現於第二十五及圖括 測裝置的一剖面圖。 /、圖之5亥偵 第二十七B圖說明呈現於第二 測裝置的一剖面圖。 及一十，、圖之該偵 第二十八圖說明一閘極信號修正内部閘_測裝置. 一具^九圖說明閉極信號修正内部閘極偵測裝置之另 第二十圖制-馳錢修正㈣閘極偵測裝置。 第三十一圖說明閘極信號修正内部閑極另 一具體化。 ， 、衣κ乃 第三十二A圖說明一可能之偵縣置的製造 製造步驟。 第三十二B圖說明-可能之摘測裝置的製造程序之一 42 1357160 製造步驟。 第三十二c圖說明一可能之.偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。 第三十二D圖說明一可能之偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。 第三十三A圖說明一可能之偵測裝置的製选程序之一 製造步驟。 - 第三十三B圖說明一可能之偵測裝置妁製造程序之一 製造步驟。· '第三十三C圖說明一可能之偵測裝置的.製造程序之一 製造步驟。 .第三十四A圖說明一可能之偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。 .第三十四B圖說明一可能之偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。 第三十四C圖說明一可能之偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。_ - 第三十四D圖說明一可能之偵測裝置的製造程序之一 製造步驟。 - :第三十五A圖說明一先前技術之條狀偵測裝置。 第三十五B圖說明一先前技術之條狀偵測裝置。 第三十六圖說明模擬結果. 第三十七圖說明模擬結果。 '. 第三十八圖說明模擬結果。…. 43 1357160 第三十九圖說明模擬結果.。 第四十圖說明模擬結果。 第四十一圖說明模擬結果.。 •第四十二圖說明模擬結果。 第四十三圖說明模擬結果。 第四十四A圖·說明本發明之一具體化。 第四十四B圖說明本發明之一具體化。 第四十四C圖說明本發明之一具體化。 【主要元件符號說明】 101 前表面 102 背表面 103 本體層 104，304，3404 修正閘極層 105 障礙層 111 ， 112 ， 113 ， 114 ， 115 ， 215 ， 715 ， 1131 ， 1132 ， 1133，1334，1335，1336，1337，1434，1443，1632，1634， 1635，1636，1637，173卜 1732，1733，1771，1772，. 1774， 1775，1831，1833，1931，1932，2031，2032，2131，2132， 215卜 2152，2206，233卜.2332，.273 卜 2831，2832，2931， 2932 ’ 3031，313卜 3231，3234，3431，353卜 3532，3533， 3631，3632，3633，，4233，4234，4431，4432，4433 像 素摻雜 121，122，123，124，125，1121，1221，1521，1721， 1357160 1921，2721，4421 通道終止摻雜 150，250，350 破折號線 160，170，260，270，360，370，760，770，860，870， 1180 ’ 1280，1580 ’ 1581，1582，1583，1780 ’ 1781，2580， 2680，4480，4481 切線 402 ’ 403 ’ 501，502 ’ 503，504，901，902，903，904， 1003 電子位能曲線 412 三維位能最小值 415 寬度 416 位置 513 中性區域 514 位能障礙 、 700 偵測裝置晶片邊緣 750，850 邊界 914 三維鞍點 816，817，818 守護環 808 光學層 725 接觸 1191，1791，1891 間隙 1341，1342，1344，1345，1695，1741，1742，2341 導 體.... 1341，1.342，1343，1344，. 1345，1443，1644，1645， 1646，1647，1773，1776，1741，1742，1841，1842，1843， 204卜 2042，2241 ’ 2242，2342，2741，2841，3041，3042， •45 1357160 3141，3641，3642，4243 閘極 1393，3292 摻雜區域 1307，1494，2707 絕緣體層 1726，1727 及 1728 溝槽 1974 ， 2075 扣 2161，2162，2451 發射體 2431 基體 2742 金屬覆蓋 3204 ， 3205 源 1392，3392，3492，3692 提升 3405 磊晶層 3434 清除接觸 3621 通道終止接觸 4221 η型摻雜 4293 ρ型摻雜 46

Claims (1)

13.57160
2
修正版修正曰期：2011/11/11 十、申請專利範圍： L 一半導體輻射偵測裝置’包含半導體材料之一本體層 (103)，而在該本體層（103)之第一表面具有下列順序： 一半導體之修正内部閘極層（104，304)，其為第二導電 率型；及 一半導體之障礙層（105)，其為第一導電率型；及 半導體之像素摻雜（111，112，1331，1332，1333，1334， 2206) ’其為第二導電率型，適應於與至少—像素電壓 偶合’以根據像素摻雜產生像素；其特徵在於： 該裝置包含一第一導電率型之第一接觸，該像素電壓被 定義為介於該像素摻雜及該第一接觸之一位能差；及 該本體層（103)為第一導電率型。 如申凊專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， —些半導體之像素摻雜（111，112，1331，1332，ι333， 1334，2206)包含一特定像素之電晶體，其建立於該像素 二雜上，該電晶體係一場影響電晶體或雙極電晶體，且 =半導體輻射偵測裝置包含—信號電荷讀取電路 體：：特定像素電晶體之電特性’係關於特定像素電晶 之2效通道或基本朝向量。 ^專利範圍第2項之半導體輻射制 該信號啻π # ^ Ύ 電特性°了§貝取電路係適應於測量一特定像素電晶體之 於減少通道或基本寬度，其係#射誘導 置，#人產生，累積於修正内部閘極層，其位於一位 5 包含該特定像素電晶體之像素。 47 1357160 Λ τ*» ^ ^ „ 修正版修正日期：201im/ll 4.如申4利範圍第2項之半導體輕射仙⑶置，且中， 該信號電荷讀取電路係適應於測量—特定像+電晶體之 電特性’係關於增加通道或基本寬度，其係由輻射誘導 電洞，電子產生，累積於修正内部閘極層，其位於一位 置，付合一包含該特定像素電晶體之像素。 5. 如申請專·圍第丨至4項中任1之半導體輕射偵測 裝置，包含位於像素中之一通道終止區域。 6. 如申請專利範圍第5項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該通道終止區域包含該第一導電率型之摻雜（121 , 122， 1121，1221，1521，1721)，因此存在相較於該等像素之 相反導電率型。 7. 如申請專利範圍第6項之半導體輻射偵測裴置，其中， 該等位於像素中之通道終止摻雜相符於該第一接觸。 8. 如申請專利範圍第7項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該第二電荷係產生於該本體層，被該等通道終止摻雜所 收集。 9·如申請專利範圍第8項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該本體層從該第二表面變薄，且該半導體輻射偵測裝置 從該背表面（102)發光。 10.如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該第一接觸（725)係位於該偵測裝置之背表面（102)，或 位於活化區域外，其係位於該偵測裝置之前表面（101) 上，或位於該偵測裝置之邊緣(700)上。 U.如申請專利範圍第10項之半導體輻射偵測裝置，其 48 1357160 修正版修正日期：2011/11/11 中’該第二電荷係產生於該本體層，被該第一接觸（725) 所收集。 12.如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該偵測裝置係從該第一表面發光。 13_如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 具有一係該第二導電率型之摻雜區域(1393)，位於該障 礙層（105) ’或該障礙層網掺雜之一局部降低(3396)，其 係介於該第二導電率型之該修正閘極層（1〇4)及該第二 導電率型之一像素摻雜（1334，1434，1634，3334)間， 或在那裡有一溝槽（1334，1393，1494，1695)，介於該 修正閘極層（104)及該偵測裝置之前表面間。 14. 如申請專利範圍第13項之半導體輻射偵測裝置，其 中，一閘極（1343，1443，1643，1695)係適應於控制信 號電荷的流動，從修正内部閘極層（104)到該像素摻雜 (1334 ’ 1434，1634，3334)，或到該偵測裝置之該前表 面’通過第二導電率型之該摻雜區域(3396)，通過該障 礙層網摻雜之該局部降低(3396)，或通過該溝槽（1334， 1393 ， 1494 ， 1695)。 15. 如申請專利範圍第14項之半導體輻射偵測裝置，其 中’該閘極係由第一導電率型（1443)之一摻雜所形成。 16. 如申請專利範圍第15項之半導體輻射偵測裝置，其 中，該閘極係由一 MOS結構（1343，1643)所形成。 17. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 第一導電率型之一區域（1726)或一溝槽結構(1727, 1728) 49 修正版修正日期：2〇11八1/11 穿過第二導電率型之該修正内部閘極層，為了改善從該 本體層（103)收集第二電荷。 18. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，包含結 構(1771，1772，1773 ’ 1774，1775，1776，1777)改善 信號的分離，及表面產生電荷。 19. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 該修正内部閘極層係不連續的。 20. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，包含係 第一或第二導電率型之一半導體(808)材料層，介於該 本體層及該修正内部閘極層間。 21. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，包含下 列至少其一：該障礙層摻雜之一變更（1929)，該修正閘 極層摻雜（1991，1591)中之一間隙，該修正閘極層摻雜 之一提升（1392)，緊鄰著MIG層之該本體層摻雜之一變 更’為了改善在該MIG層中之信號電荷的傳遞位能梯 度。 22. 如申請專利範圍第i項之半導體輻射偵測裝置，包含該 修正内部閘極層摻雜之一局部提升（1392)，從屬於一場 影響電晶體之閘極，或從屬於一雙極連結電晶體之發射 體，為了改善該偵測裝置之動態範圍。 23. —種偵測輻射之方法，包含： 偶合一些像素（111 ’ 112，113，114)在一半導體輻射 偵測裝置之一表面’至一像素電壓，及 以輕射發光該半導體輕射偵測裝置； 1357160 修正版修正日期：2011/11/11 其特徵在於包含： 收集第一種之輻射誘導信號電荷，從一本體層（1〇3)， 從一修正内部閘極層，及從一障礙層，由該半導體輻 射债測裝置，至一三維位能功能之局部最小值 (412) ’為第一種之該電荷，該局部最小值係位置上 與像素（111)相符，於一修正内部閘極層（104，304)， 位於緊鄰著該本體層（1〇3)，以及 偵測收集至局部最小值之信號電荷的數量，其係與像素 (111)相符。 24. 如申請專利範圍第23項之方法，其中，偵測信號電荷 的數罝包含觀察特定像素電晶體之該電特性’有關於該 等特定像素電晶體之有效通道或基本朝向量。 少該等特定像素電晶! 如申請專利範圍第25 25. 如申明專利範圍第24項之方法，其中，偵測信號電荷 的數罝包含觀察特定像素電晶體之該電特性，有關於減 體之有效通道或基本朝向量。
51 29. 如申請專利範圍 修正版修正日期：則/nm 圍第13或14項之半導體輻射偵測裝置， :’該障礙層摻雜之網摻料度在第—導電率型的局 雜低，與不含該障礙層摻雜之局部降低之網摻雜濃度 在第一導電率型的障礙層摻雜之比率為少於0.9。 30. 如申請專利範圍第1項之半導體輻射偵測裝置，其中， 一場影響電晶體之該通道，低於該場影響電晶體之該閘 極’係被耗盡，且其中儐號電荷之一脈衝係被偵測為在 該閘極之一電流脈衝，償號電荷孫藉由輕射及進入該修 正内部閘極所產生。
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