[发明专利]基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器及其信号读取办法

权利要求书

1.基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，其特征是每个单元探测器都是由两个晶体管构成，利用两个晶体管分别实现感光和读取功能即感光晶体管和读取晶体管：两个晶体管都是形成在复合介质栅MOSFET基底P型半导体材料（1）上方，两个晶体管通过浅槽STI隔离隔开，基底P型半导体材料正上方分别设有底层和顶层二层绝缘介质材料和控制栅极（2），二层绝缘介质材料之间设有光电子存储层（4），读取晶体管设有源漏极，用以读取信号；两个晶体管之间通过光电子存储层相连，使得读取晶体管能够读到感光晶体管通过感光存储到光电子存储层的光电子。

2.根据权利要求1所述的基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，其特征是双晶体管光敏探测器的结构是，半导体衬底正上方依次设有底层绝缘介质5，光电子存储层4，顶层绝缘介质3，控制栅2；半导体衬底1中（在读取晶体管一侧）通过离子注入掺杂形成N型源极6a和漏极6b；两个晶体管之间通过浅槽隔离7隔离开；所述电荷存储层4是多晶硅、Si₃N₄或其它电子导体或半导体；感光晶体管和读取晶体管共用浮栅（光电子存储层4）；控制栅2是多晶硅、金属或透明导电电极，控制栅极面或衬底基底层至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

3.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，其特征是绝缘介质一般为宽带半导体，其中底层介质材料采用氧化硅、SiON或其它高介电常数介质；顶层介质的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅、氧化铝或其它高介电常数介质材料。

4.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，其特征是两个晶体管是开关管的结构，两个晶体管上方的底层介质层和顶层介质层厚度不同；感光晶体管上方的介质层厚度为2nm-6nm、低于读取晶体管上方的介质层>6nm的厚度。

5.根据权利要求1或2所述的基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器，其特征是基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器单元能够构成探测器阵列，在探测器阵列中，每个探测器单元的读取晶体管和感光晶体管采用不同的架构；探测器读取晶体管采用闪存的NOR架构，探测器感光晶体管采用闪存的NAND架构。

6.基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器的工作方法，其特征是双晶体管光敏探测器光电子收集、储存的步骤：栅极加正偏压脉冲，在P型半导体中形成耗尽层，当光入射到耗尽层中光子被半导体吸收时，产生光电子，光电子在栅极电压的驱使下移动到沟道和底层绝缘层的界面处：增加栅极电压，当电压足够大的时候，光电子通过F-N隧穿后进入电荷储存层4，如果光子能量足够大，大于半导体与底层绝缘介质的△E_C光电子直接隧穿进入电荷存储层4，电荷存储层存入光电子后会使读取晶体管产生阔值电压的漂移，即读取晶体管漏极电流的漂移，通过对曝光前后漏极电流漂移量测量定出光电子存储层中光电子数目；在搜集光电子的阶段，读取晶体管源漏接地，使得共源的读取晶体管不会影响到光电子的收集。

7.根据权利要求1所述的基于复合介质栅MOSFET的双晶体管光敏探测器的信号读取方法，其特征是光电子的收集的步骤：在探测器感光晶体管栅极加上（0V-15V）正电压，衬底加上（-10V-0V）的负电压将在P型半导体基底耗尽区中形成的光电子收集到感光晶体管和读取晶体管共有的光电子存储层；

光电子的读出放大：由于感光晶体管和读取晶体管共用浮栅（电荷存储层4），感光晶体管在曝光过程中收集到的电荷存储层的光电子是可以被读取晶体管读到的；将探测器读取晶体管的源极和基底接地，漏极接合适正电压（如0.1V以上即可），通过调节栅极电压（如1-3V）使读取晶体管工作在线性区；通过对输出漏极电流的直接测量，即测量曝光前后漏极电流的两个值进行比较来确定光信号的大小，得到漏极电流的变化量与感光晶体管收集到的光电子数目的关系如下

ΔIDS=μnCoxWL·NFGqCT·VDS---(a)]]>

其中△I_DS为曝光前-曝光后漏极电流变化量，N_FG为光电子存储层上存储的光电子数目，C_T为探测器光电子存储层的总等效电容，C_ox为光电子存储层和衬底之间栅氧化层电容，W和L分别为探测器沟道的宽度和长度，μn为电子迁移率，V_DS为漏极与源极的电压差；

复位：在探测器栅极上加负偏压，衬底适当正偏压，读取晶体管源极加和衬底相同正偏压。当正负电压的压差足够高，光电子存储层中储存的光电子通过隧穿被扫回读取晶体管源极中。