專利名稱：基于復合介質柵mosfet光敏探測器源漏浮空編程方法
技術領域：
本發明涉及成像探測器件，尤其是基于復合介質柵MOSFET關于紅外、可見光波段至紫外波段的成像探測器件工作機制，是一種基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法。
背景技術：
成像探測器在軍事民用等各個領域都有很大的應用，當前發展的主要成像探測器是CXD和CMOS-APS，CXD出現較早，技術相對比較成熟，它的基本結構是一列列MOS電容串聯，通過電容上面電壓脈沖時序控制半導體表面勢阱產生和變化，進而實現光生電荷信號的存儲和轉移讀出，也正是由于這個信號轉移特點，電荷轉移速度很受限制，所以成像速度不高，另外由于是電容串聯，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，某一個像素出現問題不影響其他像素性能，所以克服了 C⑶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，允許從整個排列、部分甚至單元來讀出數據，從而提高尋址速度，實現更快的信號傳輸。不過CMOS-APS每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構成(含放大器與A/D轉換電路)，使得每個像素的感光區域只占據像素本身很小的表面積，靈敏度和分辨率相對較小。通過比較發現兩種傳統成像探測技術各有優劣，CMOS-APS近年來伴隨著CMOS工藝的不斷進3步取得了迅速的發展，向我們展現了他的巨大前景，可見提出一種基于CMOS 工藝并能夠盡量克服傳統CMOS-APS的缺點的成像探測器意義重大。因此本發明人于專利 W02010/094233中提出了一種基于CMOS工藝的復合介質柵光敏探測器。

發明內容
本發明的目的是，提出一種基于復合介質柵MOSFET光敏探測器提出一種源漏浮空編程工作方法，通過控制柵2電壓和襯底1電壓的調節使器件能夠收集并儲存光電子。本發明的技術方案復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，復合介質柵MOSFET光敏探測器單元結構包括半導體襯底(P型)1，半導體襯底正上方依次設有底層絕緣介質5，電荷存儲層4，頂層絕緣介質3，控制柵2 ；半導體襯底中(靠近疊層介質兩側)通過離子注入摻雜形成N型源極6和漏極7 ；
所述光電子存儲層是多晶硅、Si3N4或其它電子導體或半導體；控制柵2是多晶硅、金屬或透明導電電極，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。兩層絕緣介質有效隔離電荷存儲區，使電荷限制的電荷存儲層4內實現存儲功能，一般為寬帶半導體，以保證電子可以從襯底1穿越勢壘而進入電荷存儲層4。底層介質材料可以采用氧化硅、SiON或其它高介電常數介質；頂層介質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介質材。
基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，曝光編程過程步驟
1)曝光過程中源極6和漏極7浮空，襯底1加一負偏壓脈沖Vb，同時控制柵2要加一正向偏壓脈沖Vg ；
2)上述曝光過程中，源極和漏極浮空，襯底1加一個兩段的負偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vbl、Vb2，同時控制柵2加一個兩段的正偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vgl、Vg2 ；
3)上面所述1)和2)中Vg數值范圍(T15V，Vb數值范圍-15 0V，Vgl數值范圍(TlOV， Vg2數值范圍(T15V，Vbl數值范圍-1(T0V，Vb2數值范圍-15 OV ；兩段電壓的范圍可不一樣，典型的操作條件是控制柵7至12V，襯底-9至-5V。所述襯底1加一個兩段的負偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vbl、Vb2，控制柵2加一個兩段的正偏壓脈沖，是指使用前段時間較長電壓較小的脈沖和后段時間極短電壓稍大的脈沖相結合的方法來實現曝光編程；用前段時間較長電壓較小的脈沖來產生光電子并將光電子收集到P型半導體襯底1和底層絕緣層5的界面處，而后段時間極短電壓稍大的脈沖使得P型半導體襯底1中的光電子通過F-N隧穿進入電荷存儲層。在P型半導體襯底1加一負偏壓脈沖Vb，同時控制柵2要加一正向偏壓脈沖Vg ； 在P型半導體襯底1中形成耗盡層，當光入射到耗盡層中光子被半導體吸收時，產生光電子，光電子在控制柵2電壓的驅使下移動到P型半導體襯底和底層絕緣層的界面處，當控制柵2和P型半導體襯底1電壓足夠大的時候，底層介質中電場很大，光電子通過F-N隧穿后進入電荷儲存層4.由于形成耗盡層產生光電子并將光電子收集到P型半導體襯底1和底層絕緣層5的界面處所需控制柵2和P型半導體襯底1的電壓較小而時間較長。而F-N隧穿所需電場較高而時間很短，所以也可以使用一段時間較長電壓較小的脈沖和一段時間極短電壓稍大的脈沖相結合的方法來實現曝光編程。用前段時間較長電壓較小的脈沖來產生光電子并將光電子收集到P型半導體襯底1和底層絕緣層5的界面處，而后段時間極短電壓稍大的脈沖使得P型半導體襯底1中的光電子通過F-N隧穿進入電荷存儲層。由于操作電壓較大，源極6和漏極7應當懸空以防止電子從源極6和漏極7注入，電荷存儲層4在存入光電子后會產生閾值電壓的漂移，通過對曝光前后閾值電壓漂移量的測量可以定出電荷存儲層中4中光電子數目。增加控制柵2或者P型半導體襯底1電壓，可以增加耗盡層厚度，從而增加光子收集的范圍，同時增加控制柵2或者P型半導體襯底1的電壓可以增大底層介質3中電場強度，從而增大F-N隧穿的幾率。本發明的有益效果是所述復合介質柵MOSFET光敏探測器工作在源極6和漏極7 浮空的條件下，可以通過在控制柵2和P型半導體襯底1上同時加脈沖電壓而使其可以曝光成像。可以通過對控制柵2和P型半導體襯底1的電壓脈沖的靈活調節達到不同的編程效果。在P型半導體襯底ι加一負偏壓脈沖Vb，在控制柵2加一正偏壓脈沖Vg，Vb和Vg 足夠大，光電子可以通過F-N隧穿進入電荷存儲層。增加控制柵2和P型半導體襯底1的電壓可以增加F-N隧穿幾率，同時增加耗盡區深度，由于F-N隧穿過程迅速，因此編程所需時間很短。使用一段時間較長電壓較小的脈沖和一段時間極短電壓稍大的脈沖相結合的方法來實現曝光編程。從而減少曝光過程中探測器處在高電壓下的時間，使得無光時編程時閾值電壓的變化即暗電流減小。
探測器結構如圖2所示，由于器件源極6和漏極7與底層絕緣層5存在交疊區，因此源極6和漏極7的電子有可能在電場的作用下通過F-N隧穿的方式進入電荷存儲層4。而源漏的浮空可以有效的防止源極6和漏極7的電子通過F-N隧穿的方式進入電荷存儲層。 從而減小暗電流。根據本發明所述工作方法具有如下特點暗電流小所述工作條件下源漏端浮空，可以有效的防止源極6和漏極7的電子通過F-N隧穿的方式進入電荷存儲層4，從而有效的減小暗電流。同時可以使用兩段脈沖使得器件處在高電壓下的時間減小，從而減小暗電流。量子效率高所述工作條件下可以通過調節電壓使得器件耗盡區增大，F-N幾率增大，而且還可以有部分電子在耗盡區中受電場加速后達到足夠大的能量，直接越過底層介質5與P型半導體襯底1的勢壘進入電荷存儲層，從而提高量子效率。


圖ι為復合介質柵MOSFET光敏探測器基本結構。圖2為曝光時加電壓方式。圖3為兩段脈沖的示意圖。圖4探測器能帶圖和光電子產生，轉移和存儲示意圖。圖5探測器能帶圖和光電子產生，轉移和存儲另一示意圖。圖6為曝光過程中閾值電壓變化的示意圖。圖7為控制柵電壓與閾值變化的關系(圖7a)以及襯底電壓與閾值變化(圖7b)的關系
具體實施方法。下面將參閱

本發明的工作過程和物理機制如下如圖1為復合介質柵MOSFET光敏探測器基本結構，
1)半導體襯底(P型)1
2)半導體襯底正上方依次設有底層絕緣介質5，電荷存儲層4，頂層絕緣介質3，控制柵2
3)半導體襯底1中(靠近疊層介質兩側)通過離子注入摻雜形成N型源極6和漏極7. 所述電荷存儲層是多晶硅、Si3N4或其它電子導體或半導體；控制柵2是多晶硅、金屬
或透明導電電極，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。兩層絕緣介質有效隔離電荷存儲區4，使電荷限制的電荷存儲層4內實現存儲功能，一般為寬帶半導體，以保證電子可以從P型半導體襯底1穿越勢壘而進入電荷存儲層4。底層介質材料可以采用氧化硅、SiON或其它高介電常數介質；頂層介質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介質材。光電轉換過程如圖2所示編程過程，源極6和漏極7浮空，襯底加一個-2(T0V 的負向偏壓脈沖Vb或者的如圖3所示的-2(T0V的兩段的負向電壓脈沖Vbl、Vb2 ( I Vbl < |Vb2 I )，柵極加一個(T20V的正向偏壓脈沖Vg或者如圖2所示的(T20V的兩段的正向電壓脈沖Vgl、Vg2 (| Vgl < I Vg2 I )，在P型半導體襯底1中形成耗盡層，當光子到達耗盡區，如果光子能量光子半導體A (或Ai 。)，光子被半導體吸收并激發一個電子空穴對。電子轉移和存儲圖4所示過程為探測器曝光過程中P型半導體襯底1到控制柵2方向的能帶圖和電子轉移過程，光電子在柵極電壓的驅使下移動到P型半導體襯底1和底層絕緣層5的界面處，當控制柵2和P型半導體襯底1電壓足夠大的時候，光電子通過F-N 隧穿后進入電荷儲存層4(如圖4).如果光子hr>半導體半導體與底層介質的ΔΑ。，激發的光電子會直接進入底層介質5，然后在底層介質電場的作用下遷移到電荷存儲層4 (如圖5).由于曝光過程中源漏端浮空，所以在曝光過程中探測器相當于兩端器件，電壓加在控制柵2和P型半導體襯底1上是同樣的作用，因此可以合理的分配控制柵2和P型半導體襯底1的電壓值。兩段電壓的范圍可不一樣，典型的操作條件是控制柵7至12V，襯底-9 至-5V。由于即使在無光情況下也會有熱激發等情況會產生暗電流，所以我們要在無光情況下編程一次，有光情況下編程一次，兩次編程的閾值變化量再次作差值，得到的差值我們稱為閾值變化(如圖5所示)，這個閾值變化乘以電容就即為表征光強的電荷量。增大Vg或Vb可以增大耗盡區寬度，從而增大光子的收集區域，同時增大Vg或Vb 還可以增大底層介質中電場強度從而增大FN隧穿幾率。調節Vg或Vb還可以增大耗盡區中的電場強度，當耗盡區中電場很高的時候，在電子向P型半導體襯底1與底層絕緣層5界面處加速移動時會激發出更多的電子空穴對，從而放大光電信號。圖6即為襯底電壓和控制柵2電壓與閾值變化的關系，可以看到隨著P型半導體1電壓和控制柵2電壓的變化，光電響應增加很快。
權利要求
1.基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，復合介質柵MOSFET光敏探測器單元結構包括P型半導體襯底(1)，半導體襯底正上方依次設有底層絕緣介質(5)，電荷存儲層(4)，頂層絕緣介質(3)，控制柵(2);半導體襯底中靠近疊層介質兩側通過離子注入摻雜形成N型源極(6)和漏極(7)；曝光編程過程步驟曝光過程中源極和漏極浮空，襯底加一負偏壓脈沖Vb，同時控制柵要加一正向偏壓脈沖Vg。
2.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，其特征是曝光過程中源極和漏極浮空，襯底加一個兩段的負偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vbl、 Vb2,同時控制柵加一個兩段的正偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vgl、Vg2。
3.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，參數選擇是Vg數值范圍(T15V，Vb數值范圍-15 0V，Vgl數值范圍0-10V，Vg2數值范圍0 15V， Vbl數值范圍-1(T0V，Vb2數值范圍-15 0V。
4.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，所述襯底加一個兩段的負偏壓脈沖，兩段電壓分別為Vbl、Vb2，控制柵加一個兩段的正偏壓脈沖，是指使用前段時間較長電壓較小的脈沖和后段時間極短電壓稍大的脈沖相結合的方法來實現曝光編程；用前段時間較長電壓較小的脈沖來產生光電子并將光電子收集到P型半導體襯底和底層絕緣層的界面處，而后段時間極短電壓稍大的脈沖使得P型半導體襯底中的光電子通過F-N隧穿進入電荷存儲層。
5.根據權利要求1所述的基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，其特征是操作條件是控制柵電壓為7至12V，襯底電壓為-9至-5V。
全文摘要
基于復合介質柵MOSFET光敏探測器源漏浮空編程方法，復合介質柵MOSFET光敏探測器單元結構包括P型半導體襯底(1)，半導體襯底正上方依次設有底層絕緣介質(5)，電荷存儲層(4)，頂層絕緣介質(3)，控制柵(2)；半導體襯底中靠近疊層介質兩側通過離子注入摻雜形成N型源極(6)和漏極(7)；曝光編程過程步驟:曝光過程中源極和漏極浮空，襯底加一負偏壓脈沖Vb，同時控制柵要加一正向偏壓脈沖Vg。通過調節電壓可以使襯底耗盡收集光電子從而使器件可以曝光成像,具有量子效率高，暗電流小等特點。
文檔編號H01L27/146GK102544039SQ20121000407
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者卜曉峰, 吳福偉, 夏好廣, 閆鋒, 馬浩文 申請人:南京大學