[发明专利]复合介质栅横向收集光敏探测单元、探测器及其工作方法在审

专利信息
申请号: 202011627850.6 申请日: 2020-12-30
公开(公告)号: CN112802861A 公开(公告)日: 2021-05-14
发明(设计)人: 马浩文;沈凡翔;王子豪;王凯;李张南;顾郅扬;胡心怡;柴智;陈辉;常峻淞;李龙飞 申请(专利权)人: 南京威派视半导体技术有限公司
主分类号: H01L27/146 分类号: H01L27/146
代理公司: 南京苏创专利代理事务所(普通合伙) 32273 代理人: 张艳
地址: 211100 江苏省南京市江宁区麒*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 复合 介质 横向 收集 光敏 探测 单元 探测器 及其 工作 方法
【权利要求书】:

1.一种复合介质栅横向收集光敏探测单元,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。

2.根据权利要求1所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,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。

3.根据权利要求2所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,其特征在于: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。

4.根据权利要求1所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,其特征在于:所述复合介质栅MOS电容实现探测器的感光功能,所述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。

5.根据权利要求2所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,其特征在于:所述底层介质层、顶层介质层和绝缘介质埋层的材料均为宽禁带材料。

6.根据权利要求5所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,其特征在于:所述底层介质层和绝缘介质埋层的材料为氧化硅或氮氧化硅;所述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。

7.根据权利要求3所述的复合介质栅横向收集光敏探测单元,其特征在于:所述浮栅的材料为多晶硅;所述控制栅极和埋栅的材料为多晶硅、金属或透明导电电极。

8.一种基于权利要求3所述光敏探测单元组成的复合介质栅横向收集光敏探测器,其特征在于:多个所述光敏探测单元排列构成探测阵列,所述探测阵列中,每一列光敏探测单元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;所有光敏探测单元的复合介质栅晶体管的源端相连形成公用源;每一行光敏探测单元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;每一行光敏探测单元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;所有光敏探测单元的P型半导体衬底共用;光敏探测单元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。

9.一种权利要求8所述复合介质栅横向收集光敏探测器的工作方法,其特征在于,包括如下步骤:⑴光电子的收集:在控制栅极上加零或正电压,衬底上加负电压,在埋栅上加介于控制栅极电压和衬底电压之间的电压,将在P型半导体衬底耗尽区中形成的光电子收集到埋栅MOS电容的深槽中P型半导体衬底与绝缘介质埋层的界面处,进而沿着该界面输运到复合介质栅MOS电容的衬底与底层介质层的界面处;

⑵光电子的读出与放大:将复合介质栅晶体管的源极接地,衬底保持曝光过程中所加的负电压不变,复合介质栅晶体管的漏极接正电压,给控制栅极加上一个斜坡电压来扫描阈值;直接测量曝光前后阈值电压的两个值并进行比较,确定光信号的大小;

⑶光电子的复位:在控制栅极以及埋栅上加负偏压,衬底和复合介质栅晶体管的源极都接地,一定时间后,原先积聚在复合介质栅MOS电容的衬底和底层介质层界面处以及埋栅MOS电容的柱形深槽中衬底与绝缘介质埋层的界面处的光电子在电场的作用下从地漏走。

10.根据权利要求9所述的复合介质栅横向收集光敏探测器的工作方法,其特征在于:步骤⑴中,在选定的控制栅极上加正电压为0V~1V,衬底上加负电压为-5V~-3V,埋栅上加电压为0V~-3V;步骤⑵中,漏极接上合适的正电压为0.1V~0.5V,给选定的控制栅极加上一个合适的斜坡电压为1V~5V;步骤⑶中,选定的控制栅极上加负偏压为-3V~-1V。

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