[发明专利]含有隐埋集电极的光电晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及应用于图像传感器的光电晶体管，更具体地，涉及这样的光电晶体管：其通过包括隐埋集电极，能够减少产生在光电晶体管中的暗电流和提高弱光下的灵敏度而且不会干扰相邻像素或产生图像延迟。

背景技术

图像传感器用来测量光的强度。高灵敏度的图像传感器是由大量的光电晶体管组成的。一般的，高灵敏度的图像传感器使用分层的或集成结构的光电晶体管。

光电晶体管产生的输出电流与入射光的强度成比例。被光电晶体管的集电极和基极之间的结区或者发射极和基极之间的结区吸收的光子产生聚集在PN结的电子空穴对。少数聚集在结区的载流子作为基极电流工作。基极电流是基于晶体管增益的多路复用，从而产生了集电极电流。另外，发射极电流是基极电流和集电极电流的总和，一般被用作输出电流。

图1示出了按照传统技术的层状结构的光电晶体管。

如图1所示，传统的有层状结构的光电晶体管是由n+发射极115，P型基极113，和N型集电极112组成。另外，传统的光电晶体管还可进一步包含位于发射极115和基极113之间的内部吸收层114。这个结构也可以由P+发射极，N型基极，和P型集电极组成。

在上述结构中，当电压加载在发射极115和集电极112上，弱电流在基极113和集电极112之间流动。但是，发射极115和基极113之间形成了势垒。电流受到势垒的限制。此时，当光子射入基极113上，电子空穴对(EHP)因光子而产生。电子移动到集电极112。空穴填补形成在基极113的势垒。

相应的，当空穴的数量增加，因势垒中聚集的空穴导致势垒的电势降低，因此产生了与降低的电势成比例的电流，从发射极流向集电极。以此方式电流流动。流向集电极的电流永远大于入射光导致的电子空穴对产生的光电流。上述过程可以由图2来理解。

图2示出了普通光电晶体管的运行机制。

如图2所示，当电压加载在发射极和集电极之间，在发射极和基极之间的区域中产生势垒(图2中的a)。此时，当光射入基极，电子移动到集电极，空穴聚集在势垒中。

势垒中聚集的空穴导致势垒的电势降低(图2中的b)。相应的，发射极中的电子可以很容易的移向集电极。这就是说，尽管聚集的空穴的数量少，但大的电流在流动。

因为传统层状结构的光电晶体管是通过使用沉积法或者晶体生长法制作的，所以应用制作传统光电晶体管的流程到制作互补金属氧化物半导体(CMOS)的普通流程非常受限。

此外，因为很难处理表面产生的暗电流，所以像素之间的改变很大。由此，很难应用传统的光电晶体管到需要统一像素特征的元件上，例如图像传感器。

图3示出了根据传统技术的集成结构的光电晶体管。

参照图3，拥有集成结构的传统光电晶体管由两个电极poly-1和ploy-1，n+发射极，p型基极，和n型阱或者集电极组成。另外，构建了像素间相互分离的场氧化层(FOX)。

此时，在一个负电压加载在发射极和一个负电压加载在电极poly-2的状态下，当光射入P型基极，电子空穴对产生了。在所产生的电子空穴对中的电子移向n型阱(集电极)，空穴遗留在基极中。由此，基极电势升高了。

当负电压加在电极poly-2上时，遗留在基极的空穴被拖动到电极poly-2。因此，和光的量成比例的空穴聚集在电极poly-2上。在这个状态下，因为只有因电子移动导致的电流存在，所以流动的电流很弱。这个状态被称作空穴积累状态。

读取图像的过程是通过在电极poly-2上加载正电压或者零电压而实现的。这就是说，当正电压加载在电极poly-2上时，基极和发射极之间的结向前偏移了。相应的，在空穴积累状态聚集的空穴因排斥力被挤出。此时，大部分空穴存在于发射极和集电极之间。相应的，因为基极和发射极之间的势垒由于空穴而降低了，因此与聚集在基极中的空穴数量相关的电流在发射极和集电极之间流动。

在强光射入如前所述结构的光电晶体管基极的情况下，光产生的空穴导致基极电势迅速升高，直到基极和发射极之间的结稍稍向前偏移。此外，在基极里产生的空穴填充电极poly-2下方的区域并且流向发射极。所以，在空穴积累状态下，大电流在电极poly-1中流动。该大电流被称作溢出。该大电流就是相邻像素的噪音。而且，因为难以移除暴露在强光中的像素的空穴，在有明亮光线介入的地方图像延迟产生了，从而降低图片质量。

另一方面，发射极通过表面连接到基极，基极通过表面接地。从而在弱光下可能产生暗电流。

发明内容

技术问题