專利名稱：基于復(fù)合介質(zhì)柵mosfet的雙晶體管光敏探測器及其信號讀取辦法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像探測器件，尤其是關(guān)于紅外、可見光波段至紫外波段的成像探測器件的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制及其信號的讀出，是一種基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器及其信號讀取辦法。
背景技術(shù)：
成像探測器在軍事民用等各個領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用，當(dāng)前發(fā)展的主要成像探測器是CXD和CMOS-APS，CXD出現(xiàn)較早，技術(shù)相對比較成熟，它的基本結(jié)構(gòu)是一列列MOS電容串聯(lián)，通過電容上面電壓脈沖時序控制半導(dǎo)體表面勢阱產(chǎn)生和變化，進(jìn)而實現(xiàn)光生電荷信號的存儲和轉(zhuǎn)移讀出，也正是由于這個信號轉(zhuǎn)移特點，電荷轉(zhuǎn)移速度很受限制，所以成像速度不高，另外由于是電容串聯(lián)，一個電容有問題會影響整行信號的傳輸，所以對工藝要求極高，成品率和成本不夠理想。CMOS-APS每個像素采用二極管和晶體管組成，的每個像素都是相互獨立的，在整個信號傳輸過程中不需要串行移動電荷，某一個像素出現(xiàn)問題不影響其他像素性能，所以克服了 CXD在此方面的缺點，所以對工藝要求也不是那么苛刻，COMS由于采用單點信號傳輸，通過簡單的X-Y尋址技術(shù)，允許從整個排列、部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)，從而提高尋址速度，實現(xiàn)更快的信號傳輸。不過CMOS-APS每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的表面積,靈敏度和分辨率相對較小。
通過比較發(fā)現(xiàn)兩種傳統(tǒng)成像探測技術(shù)各有優(yōu)劣，CMOS-APS近年來伴隨著CMOS工藝的不斷進(jìn)步取得了迅速的發(fā)展，向我們展現(xiàn)了他的巨大前景，可見提出一種基于CMOS工藝并能夠盡量克服傳統(tǒng)CMOS-APS的缺點的成像探測器意義重大。因此本申請人于專利 W02010/094233中提出了一種基于CMOS工藝的復(fù)合介質(zhì)柵光敏探測器。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET光敏探測器，提出一種雙晶體管結(jié)構(gòu)的光敏探測器，通過兩個晶體管將探測器的信號的收集功能和讀取功能分開，感光晶體管不設(shè)計源漏，可以有效的防止感光晶體管之間互相的干擾。
本發(fā)明的技術(shù)方案，基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是每個單元探測器都是由兩個晶體管構(gòu)成，利用兩個晶體管分別實現(xiàn)感光和讀取功能即感光晶體管和讀取晶體管兩個晶體管都是形成在復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET基底P型半導(dǎo)體材料(I)上方，兩個晶體管通過淺槽STI隔離隔開，基底P型半導(dǎo)體材料正上方分別設(shè)有底層和頂層二層絕緣介質(zhì)材料和控制柵極(2)，二層絕緣介質(zhì)材料之間設(shè)有光電子存儲層(4)，讀取晶體管設(shè)有源漏極，用以讀取信號。兩個晶體管之間通過光電子存儲層電信號相連，使得讀取晶體管能夠讀到感光晶體管通過感光存儲到光電子存儲層的光電子。
雙晶體管光敏探測器的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體襯底(P型)I ;半導(dǎo)體襯底正上方依次設(shè)有底層絕緣介質(zhì)5，光電子存儲層4，頂層絕緣介質(zhì)3，控制柵2 ;半導(dǎo)體襯底I中(在讀取晶體管一側(cè))通過離子注入摻雜形成N型源極6a和漏極6b ;兩個晶體管之間通過淺槽隔離7隔離開；所述電荷存儲層4是多晶硅、Si3N4或其它電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體；感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵(電荷存儲層4);控制柵2是多晶硅、金屬或透明導(dǎo)電電極，控制柵極面或襯底基底層至少有一處為對探測器探測波長透明或半透明的窗口。絕緣介質(zhì)一般為寬帶半導(dǎo)體，以保證電子可以從P型半導(dǎo)體襯底I穿越勢壘而進(jìn)入電荷存儲層4。底層介質(zhì)材料采用氧化硅、SiON或其它高介電常數(shù)介質(zhì)；頂層介質(zhì)的材料可以采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化鋁/氧化硅、氧化硅、氧化鋁或其它高介電常數(shù)介質(zhì)材料。兩個晶體管(是開關(guān)管的結(jié)構(gòu))上方的底層介質(zhì)層和頂層介質(zhì)層厚度可以不同。感光晶體管上方的介質(zhì)層厚度可以低于讀取晶體管上方的介質(zhì)層厚度。即讀取晶體管上方的絕緣介質(zhì)層可以厚于感光晶體管上方的絕緣介質(zhì)層，防止讀取晶體管的源漏端電子在光電子收集操作過程中進(jìn)入得到光電子存儲層。一般而言，感光晶體管上方的介質(zhì)層厚度為2nm-6nm、低于讀取晶體管上方的介質(zhì)層>6nm的厚度。同時當(dāng)感光晶體管上方的底層介質(zhì)層厚度低于4nm時，感光晶體管襯底中形成的光電子可以通過直接隧穿的方式進(jìn)入光電子存儲層，極大的提高探測器量子效率，同時由于讀取晶體管上方的介質(zhì)層足夠厚，讀取晶體管源漏的電子不可以通過直接隧穿的方式進(jìn)入光電子存儲層，導(dǎo)致暗電流的產(chǎn)生?；趶?fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器單元能夠構(gòu)成探測器陣列，在探測器陣列中，每個探測器單元的讀取晶體管和感光晶體管采用不同的架構(gòu)。探測器讀取晶體管采用閃存的NOR架構(gòu)，方便讀取晶體管的選擇，同時在曝光過程中將讀取晶體管的共有的源極接地，防止共源的讀取晶體管對曝光產(chǎn)生影響。探測器感光晶體管采用閃存的NAND架構(gòu)，可以有效的防止感光晶體管之間互相的干擾。雙晶體管光敏探測器光電子收集、儲存的步驟柵極加正偏壓脈沖，在P型半導(dǎo)體中形成耗盡層，當(dāng)光入射到耗盡層中光子被半導(dǎo)體吸收時，產(chǎn)生光電子，光電子在柵極電壓的驅(qū)使下移動到溝道和底層絕緣層的界面處增加?xùn)艠O電壓，當(dāng)電壓足夠大的時候，光電子通過F-N隧穿后進(jìn)入電荷儲存層4，如果光子能量足夠大，大于半導(dǎo)體與底層絕緣介質(zhì)的Δ E。光電子可以直接隧穿進(jìn)入電荷存儲層4，電荷存儲層存入光電子后會使讀取晶體管產(chǎn)生閾值電壓的漂移，即讀取晶體管漏極電流的漂移，通過對曝光前后漏極電流漂移量測量可以定出光電子存儲層中光電子數(shù)目。在搜集光電子的階段，讀取晶體管源漏接地，使得共源的讀取晶體管不會影響到光電子的收集。雙晶體管光敏探測器的感光方法和信號讀取方法，以如下步驟，光電子的收集在探測器感光晶體管柵極加上(0V-15V)正電壓，襯底加上(-10V-0V)的負(fù)電壓將在P型半導(dǎo)體基底耗盡區(qū)中形成的光電子收集到感光晶體管和讀取晶體管共有的光電子存儲層；光電子的讀出放大由于感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵(電荷存儲層4)，感光晶體管在曝光過程中收集到的電荷存儲層的光電子是可以被讀取晶體管讀到的；將探測器讀取晶體管的源極和基底接地，漏極接合適正電壓(如O. IV以上即可)，通過調(diào)節(jié)柵極電壓(如1-3V)使讀取晶體管工作在線性區(qū)；通過對輸出漏極電流的直接測量，即測量曝光前后漏極電流的兩個值進(jìn)行比較來確定光信號的大小，得到漏極電流的變化量與感光晶體管收集到的光電子數(shù)目的關(guān)系如下 其中Λ Ids為曝光前-曝光后漏極電流變化量，Nfg為光電子存儲層上存儲的光電子數(shù)目，Ct為探測器光電子存儲層的總等效電容，Cox為光電子存儲層和襯底之間柵氧化層電容，W和L分別為探測器溝道的寬度和長度，μ η為電子遷移率，Vds為漏極與源極的電壓復(fù)位在探測器柵極上加負(fù)偏壓，襯底適當(dāng)正偏壓，讀取晶體管源極加和襯底相同正偏壓。當(dāng)正負(fù)電壓的壓差足夠高，光電子存儲層中儲存的光電子通過隧穿被掃回讀取晶體管源極中。本發(fā)明的有益效果是所述的雙晶體管光敏探測器通過使用感光晶體管和讀取晶體管兩個晶體管分別實現(xiàn)光敏探測器的感光和讀取功能，使得光敏探測器的感光部分不需要制作源漏，其特點和優(yōu)越性包括低暗電流由于光敏復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET光敏探測器的暗電流主要來源是在晶體管源漏的非光電子直接發(fā)生FN隧穿到達(dá)光電子存儲層。雙晶體管光敏探測器的感光晶體管不設(shè)計源漏，直接避免了這部分電子帶來的暗電流的貢獻(xiàn)。對于讀取晶體管的源漏來說由于讀取晶體管上方的底層介質(zhì)層可以做的比感光晶體管厚，使得讀取晶體管上方底層介質(zhì)層中的電場遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于感光晶體管上方介質(zhì)層中的電場，因此可以避免讀取晶體管源漏的非光電子被電子存儲層所收集。同時由于讀取晶體管不參與感光，只是用來讀取由于光電子存儲層收集到光電子而引起的閾值變化，因此讀取晶體管的可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于感光晶體管，因而讀取晶體管源漏對于暗電流的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。同時在曝光操作中，感光晶體管的源漏可以接合適的電壓，降低讀取晶體管源漏到光電子存儲層的電場大小，也可以使讀取晶體管的源漏端的電子幾乎不被光電子存儲層收集。感光單元之間無干擾由于雙晶體管光敏探測器感光部分沒有源漏注入，晶體管之間無法導(dǎo)通，使得晶體管之間無法相互干擾，從而干擾成像品質(zhì)，使得光敏探測器讀到的圖像與真實的圖像之間存在差異。而且由于讀取信號是由讀取晶體管實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的讀出與感光晶體管無關(guān)，因此感光晶體管的源漏都不要進(jìn)行互聯(lián)，很好的避免了感光晶體管之間有可能產(chǎn)生的互相干擾。量子效率高所述的探測器結(jié)構(gòu)由于感光部分沒有源漏，所以柵上和襯底之間的電壓差可以比較大，從而提高FN隧穿的效率。同時還可以降低感光晶體管底層介質(zhì)的厚度，使得感光晶體管產(chǎn)生的光電子可以通過直接隧穿進(jìn)入光電子存儲層，有效的提高探測器的量子效率。


圖I為雙晶體管光敏探測器垂直于溝道方向即柵寬方向結(jié)構(gòu)圖；圖2a為探測器中讀取晶體管平行于溝道方向即柵長方向結(jié)構(gòu)圖；圖2b為探測器中感光晶體管平行于溝道方向即柵長方向結(jié)構(gòu)圖；圖3為雙晶體管光敏探測器陣列的互聯(lián)方法示意6
圖4為曝光過程中閾值電壓變化的示意圖；圖6-圖9探測器感光原理示意圖。具體實施方法雙晶體管光敏探測器單管結(jié)構(gòu)(如圖I-圖3)，由兩個晶體管(感光晶體管和讀取晶體管組成)組成光敏探測器的一個基礎(chǔ)單元。結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底(P型)I ;半導(dǎo)體襯底正上方依次設(shè)有底層絕緣介質(zhì)5，光電子存儲層4，頂層絕緣介質(zhì)3，控制柵2 ;半導(dǎo)體襯底I中(在讀取晶體管一側(cè))，通過離子注入摻雜形成N型源極6a和漏極6b ;兩個晶體管之間通過淺槽隔離7隔離開。所述電荷存儲層4是多晶硅、Si3N4或其它電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體；控制柵2是多晶硅、金屬或透明導(dǎo)電電極，控制柵極面或基底層至少有一處為對探測器探測波長透明或半透明的窗口。兩層絕緣介質(zhì)有效隔離電荷存儲區(qū)，使電荷限制的電荷存儲層4內(nèi)實現(xiàn)存儲功能，一般為寬帶半導(dǎo)體，以保證電子可以從P型半導(dǎo)體襯底I穿越勢壘而進(jìn)入電荷存儲層4。底層介質(zhì)材料可以采用氧化硅、SiON或其它高介電常數(shù)介質(zhì)；頂層介質(zhì)的材料可以采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化鋁/氧化硅、氧化硅、氧化鋁或其它高介電常數(shù)介質(zhì)材料。兩個晶體管上方的底層介質(zhì)層和頂層介質(zhì)層厚度可以不同。適當(dāng)降低探測器感光晶體管上方底層介質(zhì)層厚度，當(dāng)介質(zhì)層厚度降低到4nm以下時，襯底中產(chǎn)生的光電子可以通過直接隧穿進(jìn)入光電子存儲層?？梢詷O大的提高量子效率，同時由于讀取晶體管上方的介質(zhì)層厚度不足以產(chǎn)生直接隧穿，使得感光時，讀取晶體管源漏端電子通過直接隧穿的方式進(jìn)入光電子存儲層，增大暗電流的產(chǎn)生。同時讀取時，光電子存儲層中的電子不會輕易的隧穿到讀取晶體管襯底中，從而導(dǎo)致信號的失真。探測器陣列架構(gòu)圖4給出了探測器可用的陣列架構(gòu)，其中虛線方框所示為一個重復(fù)單元。其中感光晶體管采用閃存NAND架構(gòu)互聯(lián)，讀取晶體管采用閃存NOR架構(gòu)互聯(lián)。其中虛線方框所示為一個重復(fù)單元。圖5為架構(gòu)的版圖示意圖。光電轉(zhuǎn)換過程如圖3所示編程過程，在P型半導(dǎo)體襯底I上加一個-20 OV的負(fù)向偏壓脈沖Vb,控制柵2加一個O 20V的正向偏壓脈沖Vg,這樣整個襯底下面形成連續(xù)的耗盡區(qū)域。當(dāng)光子到達(dá)耗盡區(qū)，如果光子能量光子hv>半導(dǎo)體Eg (或Eg+Λ Ec)，光子被半導(dǎo)體吸收并激發(fā)一個電子空穴對。同時，通過將讀取晶體管的源漏端接地或者接一個小的正電壓使得探測器單元結(jié)構(gòu)之間不能夠互相干擾。電子轉(zhuǎn)移和存儲電子轉(zhuǎn)移和存儲主要有4種方式如果光子的能量hv>半導(dǎo)體Eg+半導(dǎo)體與底層介質(zhì)的ΛΕ。，激發(fā)的光電子會直接進(jìn)入底層介質(zhì)5，然后在底層介質(zhì)5電場的作用下遷移到電荷存儲層4，如圖6所示，如果光子能量不足夠大，光子激發(fā)產(chǎn)生的光電子在耗盡層電場的驅(qū)動下，向著P型半導(dǎo)體襯底I和底層介質(zhì)5界面處加速移動，當(dāng)電子能量超過半導(dǎo)體與底層介質(zhì)的△ E。，光電子就可以越過勢壘進(jìn)入底層介質(zhì)5，然后在底層介質(zhì)5電場的作用下遷移到電荷存儲層4，如圖7所示，當(dāng)?shù)讓咏橘|(zhì)中電場很高時，電子可以通過隧穿方式進(jìn)入底層介質(zhì)5，并在底層介質(zhì)5中電場的作用下遷移到電荷存儲層4，如圖8所示，當(dāng)耗盡區(qū)中電場達(dá)到雪崩電場時，產(chǎn)生的光電子和空穴會再運(yùn)動過程中離化出更多的電子空穴對，并賦予電子足夠的能量使其可以越過底層介質(zhì)5與P型半導(dǎo)體襯底I勢壘進(jìn)入底層介質(zhì)5，并在底層介質(zhì)中電場的作用下遷移到電荷存儲層4，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，如圖9所示，
信號的讀出放大將探測器的讀取晶體管源極和襯底接地，漏極接合適正電壓VD，通過調(diào)節(jié)柵極電壓Ve使探測器讀取晶體管工作在線性區(qū)。通過對曝光前后對輸出漏極電流的一次讀取，即測量漏極電流漂移量可以定出光電子存儲層中光電子數(shù)目。但在光電子的搜集和儲存過程中，光電子在強(qiáng)電場下通過底層介質(zhì)層，比如Si02層，進(jìn)入光電子存儲層時，能量大的光電子會造成Si02損傷，使Si-O鍵斷裂并形成陷阱，陷阱容易俘獲電子成為固定電荷。同時在P型Si和Si02的交界面處形成界面態(tài)。當(dāng)帶電荷的光電子從固定電荷和界面態(tài)附近經(jīng)過時就會受到散射使遷移率發(fā)生變化。若用曝光前后對輸出漏極電流的一次讀取的方法來確定光電子的數(shù)目，也就是直接采用式(a)的方法，就會因為沒有考慮曝光前后電子的遷移率變化而使讀出的光電子數(shù)目不準(zhǔn)確。因此為了補(bǔ)償電子遷移率的漂移，能夠?qū)⑺鸭降墓怆娮訑?shù)目準(zhǔn)確的讀出，我們采用了曝光前后分別進(jìn)行兩次讀取的方法。在曝光之前，分別加兩次控制電壓，電壓值分別為Vrai和Vra2'通過測量兩次漏極電流Idsi和Ids2，得到反映遷移率漂移前的跨導(dǎo)參數(shù)βΛ:在曝光之后，也分別加兩次控制電壓，電壓值分別為rai和Vra2通過測量兩次漏極電流Idsi和Ids2得到反映遷移率漂移后的跨導(dǎo)參數(shù)β 2cg ;最后利用曝光前后VCGl偏壓下的電流值Ids1和Ids2得到曝光前后光電子存儲層上電荷的變化量，即所搜集到的準(zhǔn)確的光電子的數(shù)目，從而克服了曝光前后輸出漏極電流一次讀取的方法因電子遷移率的漂移而帶來的誤差。具體為將探測器讀取晶體管的源極和襯底接地，漏極接合適正電壓VD，通過調(diào)節(jié)柵極電壓\使探測器讀取晶體管工作在線性區(qū)。通過對輸出漏極電流的直接測量，即測量曝光前后漏極電流的兩個值進(jìn)行比較未確定光信號的大小，得到漏極電流變化量與搜集到的光電子數(shù)目的關(guān)系如下
權(quán)利要求
1.基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是每個單元探測器都是由兩個晶體管構(gòu)成，利用兩個晶體管分別實現(xiàn)感光和讀取功能即感光晶體管和讀取晶體管 兩個晶體管都是形成在復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET基底P型半導(dǎo)體材料(I)上方，兩個晶體管通過淺槽STI隔離隔開，基底P型半導(dǎo)體材料正上方分別設(shè)有底層和頂層二層絕緣介質(zhì)材料和控制柵極(2)，二層絕緣介質(zhì)材料之間設(shè)有光電子存儲層(4)，讀取晶體管設(shè)有源漏極，用以讀取信號；兩個晶體管之間通過光電子存儲層相連，使得讀取晶體管能夠讀到感光晶體管通過感光存儲到光電子存儲層的光電子。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是雙晶體管光敏探測器的結(jié)構(gòu)是，半導(dǎo)體襯底正上方依次設(shè)有底層絕緣介質(zhì)5，光電子存儲層 4，頂層絕緣介質(zhì)3，控制柵2 ;半導(dǎo)體襯底I中(在讀取晶體管一側(cè))通過離子注入摻雜形成 N型源極6a和漏極6b ;兩個晶體管之間通過淺槽隔離7隔離開；所述電荷存儲層4是多晶硅、Si3N4或其它電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體；感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵(光電子存儲層4)； 控制柵2是多晶硅、金屬或透明導(dǎo)電電極，控制柵極面或襯底基底層至少有一處為對探測器探測波長透明或半透明的窗口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是絕緣介質(zhì)一般為寬帶半導(dǎo)體，其中底層介質(zhì)材料采用氧化硅、SiON或其它高介電常數(shù)介質(zhì)；頂層介質(zhì)的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化鋁/氧化硅、氧化硅、氧化鋁或其它高介電常數(shù)介質(zhì)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是兩個晶體管是開關(guān)管的結(jié)構(gòu)，兩個晶體管上方的底層介質(zhì)層和頂層介質(zhì)層厚度不同；感光晶體管上方的介質(zhì)層厚度為2nm-6nm、低于讀取晶體管上方的介質(zhì)層>6nm的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，其特征是基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器單元能夠構(gòu)成探測器陣列，在探測器陣列中，每個探測器單元的讀取晶體管和感光晶體管采用不同的架構(gòu)；探測器讀取晶體管采用閃存的NOR架構(gòu)，探測器感光晶體管采用閃存的NAND架構(gòu)。
6.基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器的工作方法，其特征是雙晶體管光敏探測器光電子收集、儲存的步驟柵極加正偏壓脈沖，在P型半導(dǎo)體中形成耗盡層，當(dāng)光入射到耗盡層中光子被半導(dǎo)體吸收時，產(chǎn)生光電子，光電子在柵極電壓的驅(qū)使下移動到溝道和底層絕緣層的界面處增加?xùn)艠O電壓，當(dāng)電壓足夠大的時候，光電子通過F-N隧穿后進(jìn)入電荷儲存層4，如果光子能量足夠大，大于半導(dǎo)體與底層絕緣介質(zhì)的Λ Ε。光電子直接隧穿進(jìn)入電荷存儲層4，電荷存儲層存入光電子后會使讀取晶體管產(chǎn)生闊值電壓的漂移，即讀取晶體管漏極電流的漂移，通過對曝光前后漏極電流漂移量測量定出光電子存儲層中光電子數(shù)目；在搜集光電子的階段，讀取晶體管源漏接地，使得共源的讀取晶體管不會影響到光電子的收集。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器的信號讀取方法，其特征是光電子的收集的步驟在探測器感光晶體管柵極加上(0V-15V)正電壓，襯底加上(-10V-0V)的負(fù)電壓將在P型半導(dǎo)體基底耗盡區(qū)中形成的光電子收集到感光晶體管和讀取晶體管共有的光電子存儲層；光電子的讀出放大由于感光晶體管和讀取晶體管共用浮柵(電荷存儲層4)，感光晶體管在曝光過程中收集到的電荷存儲層的光電子是可以被讀取晶體管讀到的；將探測器讀取晶體管的源極和基底接地，漏極接合適正電壓(如O. IV以上即可)，通過調(diào)節(jié)柵極電壓(如 1-3V)使讀取晶體管工作在線性區(qū)；通過對輸出漏極電流的直接測量，即測量曝光前后漏極電流的兩個值進(jìn)行比較來確定光信號的大小，得到漏極電流的變化量與感光晶體管收集到的光電子數(shù)目的關(guān)系如下其中Λ Ids為曝光前-曝光后漏極電流變化量，Nfg為光電子存儲層上存儲的光電子數(shù)目，Ct為探測器光電子存儲層的總等效電容，CmS光電子存儲層和襯底之間柵氧化層電容， W和L分別為探測器溝道的寬度和長度，μ η為電子遷移率，Vds為漏極與源極的電壓差； 復(fù)位在探測器柵極上加負(fù)偏壓，襯底適當(dāng)正偏壓，讀取晶體管源極加和襯底相同正偏壓。當(dāng)正負(fù)電壓的壓差足夠高，光電子存儲層中儲存的光電子通過隧穿被掃回讀取晶體管源極中。
全文摘要
基于復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET的雙晶體管光敏探測器，每個單元探測器都是由兩個晶體管構(gòu)成，利用兩個晶體管分別實現(xiàn)感光和讀取功能即感光晶體管和讀取晶體管兩個晶體管都是形成在復(fù)合介質(zhì)柵MOSFET基底P型半導(dǎo)體材料(1)上方，兩個晶體管通過淺槽STI隔離隔開，基底P型半導(dǎo)體材料正上方分別設(shè)有底層和頂層二層絕緣介質(zhì)材料和控制柵極(2)，二層絕緣介質(zhì)材料之間設(shè)有光電子存儲層(4)，讀取晶體管設(shè)有源漏極，用以讀取信號；兩個晶體管之間通過光電子存儲層相連，使得讀取晶體管能夠讀到感光晶體管通過感光存儲到光電子存儲層的光電子。
文檔編號H04N5/335GK102938409SQ20121044200
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者閆鋒, 馬浩文, 沈忱, 卜曉峰, 吳福偉, 夏好廣, 張佳辰 申請人:南京大學(xué)