专利名称：光敏复合介质栅mosfet探测器的信号读出放大方法
技术领域：
本发明涉及成像探测器件，尤其是红外、可见光波段至紫外波段的成像探测器件
的结构和信号读出放大方法。
二背景技术：
目前的成像探测器件主要是CCD和CM0S-APS， CCD器件基本工作原理与金属_氧化物-硅(M0S)电容的物理机理相关，CCD的基本组成单元是MOS电容器，其工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。CCD是以电荷包的形式对信号进行存储、转移的器件，它突出的特点是以电荷为信号，而不同于其它以电流或电压为信号的器件。CCD工作时，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，进而实现电荷的存储和转移。CMOS-APS，如中国专利CN1774814等。 典型的可见光波段成像器件CCD规格和像素大小
□ 最大规格 10k x 10k(DALSA)
□ 最小像素 2. 4微米(e2V)无法縮小
□ 井深 1000e-/ ii m2 典型CM0S-APS像素规格(CM0S-APS成像像素单元具有四大功能，光电子搜集与存储、放大、复位、选址) □ 最大规格 4k x 4k(0. 18微米工艺，Raytheon etc.) □ 最小像素 2. 8微米(0.25微米工艺，Panasonic)很难縮小 □ 井深3000e-/微米ii m2CCD与CM0S-APS两者的综合比较如下表
CCDCMOS-APS
漏电流非常好 < InA/cm2不好 > 50nA/cm2
占空比 (FillFactor)非常好 100%不好 < 60%
工艺要求与非常高一般
成品率成品率低成品率高
与CMOS工艺的兼容度不兼容兼容 CCD和CM0S-APS的局限性CCD和CM0S-APS是当今科学仪器和影像设备中广泛应用的成像元件，但两种成像元件都有其缺点。CCD本质上是相互平行的可以定向传输电荷的
4大量相互串联的MOS电容，其局限性表现在 1)成像速度难以提高CCD成像过程中需要物理性地移动电荷，因此，成像速度难以提高。 2)成品率低由于其相互串联的MOS电容架构和传输电荷的需要，在同一行串联的CCD像素中，任何一个MOS电容失效或不能正常工作都会影响电荷在该电容的正常传输，从而导致该行CCD像素中排在该电容之后的像素不能正常工作。通常表现为黑条、白条或暗条。因此，其对工艺控制要求极高，所以成品率通常较低、生产成本高。
3)像素很难进一步縮小为了维持在电荷传输中的信噪比不变，CCD单元像素的縮小要求减薄Oxide-Nitride (ON)厚度，而ON的可靠性要求却不变，所以CCD像素的进一步变小有相当的难度。除此之外，边缘电场也限制了 CCD像素的进一步縮小。
以上所述的局限性是本质上的问题，很难从根本上解决。制造CCD的工艺因素的影响非常大CCD是在硅集成电路上制作而成的，其工艺基本组成包括清洗、氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入、LPCVD、等离子生长和中测工艺，CCD的制造就是将这些单项工艺以不同数目和次序加以组合而成。氧化、光刻、离子注入。氧化是CCD制造中的关键工艺之一，氧化生成的Si02膜在CCD中有着重要的作用，(1)作为CCD的保护和钝化膜。2)作为CCD中栅氧的电介质。3)作为多晶硅薄膜之间的隔离层，Si(^能防止上层多晶硅和下层多晶硅间短路，氧化物要求无针孔和空隙。在CCD制造中，较多采用干氧-湿氧-干氧结合的氧化方式。CCD制造中，栅极介质层由Si02层及其上再生长的一层氮化硅膜共同构成，这是因为氮化硅(Si3N4)介电常数大约是二氧化硅的两倍，但是由于氮化硅的热膨胀系数大约是硅的两倍，造成氮化硅和硅之间的接触不好，而Si02与Si的膨胀系数接近，所以形成Si-Si02-Si3N4作为栅介质层。现在国内外在研究MOS管的介质层时，用高介电常数栅介质层来替代Si(^层。研究的栅介质层有IIIA族和11IB族的金属氧化物，主要包括AlA、YA、LaA等；VIB族金属氧化物主要有Hf02、 Zr02、 Ti02等；堆垛结构如Hf02/Si02、 Zr02/Si02等。
与CCD不同，CMOS-APS的每个像素都是相互独立的，在整个信号传输过程中不需要物理性的移动电荷，因此从本质上克服了 CCD的弱点，但是CMOS-APS的每个像素都包含1个光敏二极管和三个以上的晶体管。该架构会导致以下的问题 1)暗电流噪声高由于CMOS-APS采用二极管作为光敏器件，其暗电流比CCD要高差不多两个量级。 2)有效量子效率难以提高和CCD不同，CMOS-APS除了光敏二极管外，还包含至少三个晶体管，占空比小于60%。
发明内容
本发明目的是提出一种新型光敏复合介质栅MOSFET探测器结构和其信号的读
出放大方法(包括红外至紫外波段)。 1.光敏复合介质栅MOSFET探测器的结构 结构如图1所示，在基底P型半导体材料上方的两侧设有N型半导体区构成源区和漏区，基底正上方分别设有底层和顶层绝缘介质材料和栅极，两层绝缘介质材料之间设有光电子存储层，所述光电子存储层是多晶硅、Si3N4或其它电子导体或半导体；栅极是多晶硅、金属或透明导电电极。
与栅极接触的顶层绝缘介质层可以是Si02、 Si02/Si3N4/Si02复合结构或high-k(高介电常数)介质，也可以是宽带半导体，其目的是阻止光电子存储层中存储的电荷流失到栅极上。基底P型半导体材料接触的底层绝缘介质层可以为SiOySiON或宽带半导体。在栅极加低压时，底层绝缘介质层能有效将光电子存储层和源极和漏极之间的沟道隔离开来；在栅极加高压下可以把所述沟道中所搜集的光电子通过底层绝缘介质层扫入光电子存储层存储，在搜集光电子和转移光电子到光电子储存层时应保证源极和漏极均为悬空结构，为了在沟道至衬底内区域能产生光电效应，在基底层或控制栅极面至少有一处为对探测器探测波长透明的或半透明的窗口 。 第一绝缘介质即底层介质为氧化硅1-lOnm或high-k介质(如Hf02， A1203， Zr02，Y203， BaTi03， BaZr03， ZrSi04， Ta203等)l_5nm(等效Si02厚度)。 第二绝缘介质层的材料即顶层介质为氧化硅/氮化硅/氧化硅12-20nm (等效Si02
厚度)；或氧化硅10-20nm ;或氧化铝约10nm ;或氧化硅10_20nm ;或high-k介质，如Hf02，
Zr02， Y203， BaTi03， BaZr03， ZrSi04， Ta203等l_5nm(等效Si02厚度)。 光电子存储层的材料及对应的厚度多晶硅10-200nm或氮化硅3_10nm。 本发明光电子存储层是利用复合介质栅的工作原理，以复合介质栅MOSFET变成
一个同时具有电荷搜集、光电子测量和选址功能的、用于成像用的光电子存储层、由单一晶
体管(开关型晶体管)构成一个探测器的一个像素，其阵列构成探测器；即构成称为光敏复
合介质栅MOSFET探测器。 2.所述探测器的光电子搜集、储存、读出放大和复位 光敏复合介质栅MOSFET探测器信号的读出放大方法，基于在基底P型半导体材料上方的两侧设有N型半导体区构成源极和漏极，基底正上方分别设有底层和顶层绝缘介质材料和栅极，两层绝缘介质材料之间设有光电子存储层的光敏复合介质栅即浮栅MOSFET探测器，所述探测器的光电子读出放大和复位的步骤是 光电子读出放大将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压约0. IV，通过调节栅极电压约1 3V使MOSFET探测器工作在线性区； 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，得到漏极的电流变化量与搜集到的光电子数目的关系如下A/DS=^L，.rDS (1) 其中A IDS为MOSFET探测器曝光前_曝光后漏极电流变化量，Nre为浮栅上存储的光电子数目，CT为探测器光电子存储层的总等效电容，C。x为光电子存储层和衬底之间栅氧化层的单位面积电容，W和L分别为探测器沟道的宽度和长度，P n为电子迁移率，VDS为漏极与栅极的电压差；复位在探测器栅极上加负偏压Ve，衬底接地；当负偏压足够高，光电子存储层中储存的光电子通过隧穿被扫P型半导体衬底中。
1)光电子的搜集和储存 当栅极加正偏压脉冲，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；如果光子能量足够大(大于半导体与底层绝缘介质的AEc)，光电子可以直接隧穿进入电荷储存
6层。具体过程为图2所示，图中过程1为衬底沟道表面的光电子发生F-N隧穿效应通过底
层绝缘层进入电荷储存层；过程2为衬底沟道表面的光电子发生直接隧穿效应通过底层绝
缘层进入电荷储存层。在搜集光电子的阶段，源和漏应当悬空以防止电子从源和漏区注入。
当第二层绝缘介质层中电场较弱时，光电子会储存在存储层。存储层在存入光电子后会产
生阈值电压的漂移，即漏极电流的漂移，通过对曝光前后漏极电流漂移量测量可以定出光
电子存储层中光电子数目。 2)信号的读出放大 将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压VD，通过调节栅极电压VG使探测器工作在线性区。通过对曝光前后对输出漏极电流的一次读取，即测量漏极电流漂移量可以定出光电子存储层中光电子数目。但在光电子的搜集和储存过程中，光电子在强电场下通过底层薄Si02层发生遂穿效应进入光电子存储层时，能量大的光电子会造成Si02损伤，使Si-0键断裂并形成陷阱，陷阱容易俘获电子成为固定电荷。同时在P型Si和Si02的交界面处形成界面态。当带电荷的光电子从固定电荷和界面态附近经过时就会受到散射使迁移率发生变化。若用曝光前后对输出漏极电流的一次读取的方法来确定光电子的数目，就会因为没有考虑曝光前后电子的迁移率变化而使读出的光电子数目不准确。因此为了补偿电子迁移率的漂移，能够将搜集到的光电子数目准确的读出，我们采用了曝光前后分别进行两次读取的方法。在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为Vra和Vra2，通过测量两次漏极电流IDS1和1^，得到反映迁移率漂移前的跨导参数P ，；在曝光之后，也分别加
两次控制电压，电压值分别为vra和vra2，通过测量两次漏极电流r DS1和r DS2，得到反映迁移率漂移后的跨导参数e^;最后利用曝光前后v^偏压下的电流值r皿和r皿，得到曝光前后浮栅上电荷的变化量，即所搜集到的准确的光电子的数目，从而克服了曝光前后输出漏极电流一次读取的方法因电子迁移率的漂移而带来的误差。 同样也可将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压V。，通过调节栅极电压VG使探测器工作在亚阈区。为了补偿曝光前后Si02中陷阱电荷密度和衬底界面处的界面
态密度不一致，也采用曝光前后分别进行两次读取的方法测量搜集到的光电子数目。 3)复位在栅极上加负偏压Ve，衬底接地；当负偏压足够高，光电子存储层中储存的光电子通过隧穿被扫P型半导体衬底中。 本发明的有益效果光敏复合介质栅MOSFET探测器的优越性如下与CCD和CMOS-APS相比，光敏复合介质栅MOSFET兼具很多CCD和CMOS-APS的优点，但又克服了它们的很多弱点，是下一代成像器件的理想选择；其特点和优越性包括 可伸縮性极好当代闪存技术使用的复合介质栅MOSFET的尺度在4 10F2 (F :最小的光刻线条尺度)，当使用50nm光刻技术时， 一个光敏复合介质栅M0SFET的面积可以小到0. 01微米2，即在1微米2上可以做出100个光敏复合介质栅M0SFET。与此相比，CCD最小的像素是 3x3微米2，而CM0S-APS是 lxl微米2。光敏复合介质栅M0SFET技术的使用将可以提供CM0S-APS和CCD等成像器件所不可比拟的分辨率，从而使物理分辨率高于光学分辨率。 与闪存生产技术基本兼容光敏复合介质栅M0SFET与标准的复合介质栅技术相同，可以通过对标准复合介质栅M0SFET技术进行微调来生产光敏复合介质栅M0SFET。
成像速度比CCD快尽管采用和CCD相同的光电子搜集机制，但光敏复合介质栅MOSFET把产生的光电子储存在复合介质栅中而不是沟道中。读出信号通过测量阈值电压 (即复合介质栅中的电荷)实现，所以不需要像CCD —样搬运光电子，因此成像速度可以和 CMOS-APS相比，而比CCD要快很多。 对工艺缺陷不敏感由于光敏复合介质栅MOSFET不需要搬运光电子，任何一个像 素的失效不会影响其它像素，所以其对工艺缺陷不像CCD那样敏感，可以用于制造大面积 探测器阵列。 动态范围比其它结构大由于光敏复合介质栅MOSFET信号读出过程完全不会影 响信号本身，可以支持多次读出。在实践中，可以通过改变控制栅上的电压来调节输出信 号的大小，因此可以通过用不同的栅电压读取来扩大信号相应的动态范围。这是CCD和 CMOS-APS都不具有的优势。 信号读取的准确性高在探测器信号读取的过程中，采用曝光前后分两次读取的 方法，即曝光前加两次控制栅压，测量两次输出的漏极电流；曝光后加两次同样大小的控制 栅压，测量两次输出的漏极电流；最后利用曝光前后同偏压下的电流值得到曝光前后光电 子存储层上电荷的变化量，准确定出所搜集到的的光电子的数目，从而克服了因曝光前后 的栅Si02中陷阱、界面态密度不一致而造成的影响。
四
图1是本发明探测器结构示意图 图2是本发明探测器结构能带图及光电子产生及迁移示意图
五具体实施例方式1.探测器工作在线性区 将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压V。，通过调节栅极电压Ve使探测 器工作在线性区。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，得到漏极电流变化量与搜集到的光电子数目的关系如下 =~^---^~.FDS (1) 其中A IDS为曝光前后读出的漏极电流变化量，Nre为光电子存储层上即浮栅存储 的光电子数目，CT为光电子存储层的总等效电容，C。x为光电子存储层和衬底之间栅氧化层 的单位面积电容，W和L分别为MOSFET沟道的宽度和长度，P n为电子迁移率，VDS为漏极与 源极的电压差。 但在光电子的搜集过程中，光电子在强电场下通过薄Si02层发生遂穿效应进入光 电子存储层时，能量大的光电子会造成Si02损伤，使Si-0键断裂并形成陷阱，陷阱容易俘 获电子成为陷阱电荷。同时在P型Si和Si(^的交界面处形成界面态。当带电荷的光电子 从陷阱电荷和界面态附近经过时就会受到散射使迁移率发生变化。若采用(1)式的方法进 行光电子的读出放大，就会因为曝光前后电子迁移率的漂移而使读出的光电子的数目有误
差。因此为了补偿Pn的漂移，能够将搜集到的光电子数目准确的读出，我们采用了曝光前
后分别进行两次读取的方法。 当探测器工作在线性区时，输出的漏极电流表达式为<formula>formula see original document page 9</formula> 式中|3 ra为探测器的跨导参数，Vra为栅极控制电压，VTra为探测器的阈值电压，Qre 为光电子存储层上存储的光电子的电荷量，Cra为栅极和光电子存储层之间的等效电容。
在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为Vra和Vra2，通过测量两次漏极电 流IDS1和1^，得到反映迁移率漂移前的跨导参数<formula>formula see original document page 9</formula> 式中ii n为曝光之前的电子迁移率，Cra为探测器顶层绝缘介质层电容，CT为光电 子存储层的总等效电容，C。x为光电子存储层和衬底之间栅氧化层的单位面积电容，AVra = Vcg2_Vcgi， A IDs — Ids2_Idsi。 为了补偿电子迁移率漂移，将搜集到的光电子数目准确的读出，采用了曝光前后 分别进行两次读取的方法 在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为Vra和Vra2，通过测量两次漏极电
流IDS1和1^，得到反映迁移率漂移前的跨导参数
<formula>formula see original document page 9</formula> 式中Pn为曝光之前的电子迁移率，C^为探测器顶层绝缘介质层电容，AVra = Vcg2_Vcgi， A IDs — Ids2_Idsi。 在曝光之后，为了补偿电子迁移率的漂移，也分别加两次控制电压，电压值分别为
vra和vra2，通过测量两次漏极电流r DS1和r DS2，得到反映迁移率漂移后的跨导参数
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中"'n为曝光之后的电子迁移率，avcg = vCG2-vCG1， Ar DS = r DS2-r 最后利用曝光前后vra偏压下的电流值r DS1和i皿，得到曝光前后浮栅上电荷的变化j
<formula>formula see original document page 9</formula> 将(3)式和(4)式代入(5)式能准确读出曝光后所搜集到的光电子数目，从而克 服了因电子迁移率的漂移而带来的误差。 2.探测器工作亚阈区，图2中过程1是F-N隧穿，过程2为直接隧穿。 漏极接合适正电压V。，通过调节栅极电压Ve使探测器工作在亚阈区。当满足
<formula>formula see original document page 9</formula> 式中ID。取决于器件的尺寸，衬底的掺杂浓度和温度，当器件制造出来后在一定温 度下I。。位常数。系数11= l+(Ce+Cit)/C。,，其中Ce为衬底单位面积电容，与衬底杂质浓度的平方根成正比；Cit为陷阱电荷引起的面积电容，与界面态和Si02陷阱密度成正比。
由于光电子存储在光电子存储层前后，Si02中的陷阱电荷密度和衬底界面处的界 面态密度不一致，造成(7)式中的n发生变化，因此直接采用比较曝光前后的漏极电流来确 定所搜集到的光电子数目就不准确。为了补偿陷阱、界面态密度不一致的影响，我们对亚阈 区探测器的信号读取同样也采用曝光前后分别进行两次读取的方法。 在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为Vra和Vra2，通过测量两次漏极电 流IDS1和1^，得到曝光之前的系数n为
流r
丄
(8)
In
在曝光之后，分别加两次控制电压，电压值分别为vra和vra2，通过测量两次漏极电 和r ^，得到曝光之后的系数n'为
_^___
(9) 最后利用曝光前后Vra偏压下的电流值I' 上电荷的变化量 A仏g =
灯
In
腦
灯
In
和i皿，得到曝光前后光电子存储层
(10) (10)式能准确读出曝光后所搜集到的光电子数目，从而克服了因曝光前后的Si02 陷阱、界面态密度不一致而造成的影响。
权利要求
光敏复合介质栅MOSFET探测器信号的读出放大方法，基于在基底P型半导体材料上方的两侧设有N型半导体区构成源极和漏极，基底正上方分别设有底层和顶层绝缘介质材料和栅极，两层绝缘介质材料之间设有光电子存储层的光敏复合介质栅MOSFET探测器，其特征是所述探测器的光电子读出放大和复位的步骤是光电子读出放大将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压约0.1V，通过调节栅极电压约1～3V使MOSFET探测器工作在线性区；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，得到漏极的电流变化量与搜集到的光电子数目的关系如下 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>DS</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>μ</mi> <mi>n</mi></msub><msub> <mi>C</mi> <mi>ox</mi></msub><mi>W</mi> </mrow> <mi>L</mi></mfrac><mo>·</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>N</mi> <mi>FG</mi></msub><mi>q</mi> </mrow> <msub><mi>C</mi><mi>T</mi> </msub></mfrac><mo>·</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>DS</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中ΔIDS为曝光前-曝光后漏极电流变化量，NFG为浮栅上存储的光电子数目，CT为探测器光电子存储层的总等效电容，Cox为光电子存储层和衬底之间栅氧化层的单位面积电容，W和L分别为探测器沟道的宽度和长度，μn为电子迁移率，VDS为漏极与栅极的电压差。复位在探测器栅极上加负偏压VG，衬底接地；当负偏压足够高，光电子存储层中储存的光电子通过隧穿被扫P型半导体衬底中。
2. 根据权利要求1所述的光敏复合介质栅M0SFET探测器信号的读出放大方法，其特征是将搜集到的光电子数目准确的读出，采用了曝光前后分别进行两次读取的方法在曝光之前，分别加两次控制电压，电压值分别为vra和Vra2，通过测量两次漏极电流IDS1和IDS2，得到反映迁移率漂移前的跨导参数式中ii n为曝光之前的电子迁移率，cra为探测器顶层绝缘介质层电容，VDS为漏极与栅 极的电压差;AVcg = VCG2_VCG1， A IDS = IDS2_IDS1 ;在曝光之后，为了补偿电子迁移率的漂移，也分别加两次控制电压，电压值分别为Vra和v^，通过测量两次漏极电流r m和i' ^，得到反映迁移率漂移后的跨导参数<formula>formula see original document page 2</formula>式中P ' n为曝光之后的电子迁移率，AVCG = VCG2-VCG1， AI' DS = I' DS2-I' DS1。最后利用曝光前后vra偏压下的电流值r DS1和i皿，得到曝光前后浮栅上电荷的变化量<formula>formula see original document page 2</formula> (4)(4)式能准确读出曝光后所搜集到的光电子数目，克服因电子迁移率的漂移而带来的误差。
3.根据权利要求1所述的光敏复合介质栅MOSFET探测器信号的读出放大方法，其特 征是探测器的光电子读出放大之前的搜集、储存的步骤是当栅极加正偏压脉冲，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；如果光子能量足够大(大于半导体与底层绝缘介质的AEc)，光电子可以直接隧穿进入电荷储存层。在搜集光电子的阶段，源和漏应当悬空以 防止电子从源和漏区注入。光电子存储层在存入光电子后会产生阈值电压的漂移，即漏极 电流的漂移，通过对曝光前后漏极电流漂移量测量可以定出光电子存储层中光电子数目。
全文摘要
光敏复合介质栅MOSFET探测器信号的读出放大方法，在基底P型半导体材料上方的两侧设有N型半导体区构成源极和漏极，基底正上方分别设有底层和顶层绝缘介质材料和栅极，设有光电子存储层的光敏复合介质栅MOSFET探测器；光电子读出放大将探测器的源极和衬底接地，漏极接合适正电压约0.1V，通过调节栅极电压约1～3V使MOSFET探测器工作在线性区；通过对输出漏极电流的直接测量，得到漏极的电流变化量与搜集到的光电子数目的关系式；复位在探测器栅极上加负偏压VG，衬底接地；当负偏压足够高，光电子存储层中储存的光电子通过隧穿被扫P型半导体衬底中；克服因电子迁移率的漂移而带来的误差。
文档编号H04N1/393GK101719971SQ20091023426
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者张 荣, 徐跃, 施毅, 闫锋 申请人:南京大学