專利名稱：Pn結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像探測器件，尤其是基于薄膜晶體管非揮發(fā)存儲器結(jié)構(gòu)的成像探測器件工作機制，是一種PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器在當今社會應(yīng)用非常廣泛，如移動手機、數(shù)碼相機、各種攝像機以及國防探測領(lǐng)域，當前發(fā)展的主要成像探測器是CCD和CMOS-APS兩種類型，CCD出現(xiàn)較早，技術(shù)相對比較成熟，它的基本結(jié)構(gòu)是一列列MOS電容串聯(lián)，通過電容上面電壓脈沖時序控制半導體表面勢阱產(chǎn)生和變化，進而實現(xiàn)光生電荷信號的存儲和轉(zhuǎn)移讀出，CMOS-APS每個像素采用二極管和多個晶體管組成，通過設(shè)置二極管狀態(tài)，讀取曝光前后的變化情況得到光信號。高分辨的圖像傳感器成為一個重要的研究方向，高分辨探測器無論在商業(yè)及國防領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，業(yè)界不斷在努力追求更小的像素尺寸，目前CCD與CMOS都有千萬級像素的產(chǎn)品，都力圖進一步縮小像素尺寸提高分辨率，CCD因為受到邊緣電場等效應(yīng)使得他像素尺寸的很難在2um以下進一步縮小。而CMOS-APS隨著CMOS工藝節(jié)點的縮小像素尺寸也可以進一步縮小，不過CMOS-APS每個像素由多個晶體管與一個感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的表面積，靈敏度和分辨率相對較小。另外CMOS-APS每個像素包含多個晶體管來完成引址選通等操作，一般的像素單元包含三個晶體管，這決定了他的像素尺寸縮小受到很大的限制。目前主要通過采用更小的工藝節(jié)點和電路共享等方法實現(xiàn)像素尺寸的不斷縮小，已經(jīng)可以達到單像素尺寸1.1um0還有人采用電荷調(diào)制晶體管(CMD)作為單個像素，采用單個晶體管作為一個像素可以很好的縮小像素尺寸，在此方面已有專利提出一種基于復合介質(zhì)柵的光敏探測器結(jié)構(gòu)，采用與CMOS工藝兼容的單個器件結(jié)構(gòu)作為一個獨立像素，可以有效降低像素面積。但隨著工藝尺寸不斷縮小，他們會面臨著許多如短溝道效應(yīng)、源漏穿通，漏極誘導勢壘降低等問題的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:提出一種新型光電探測器結(jié)構(gòu)和探測方法，尤其提出一種PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器和探測方法，可以有效的進一步減小像素尺寸。提高分辨率，并提聞器件可罪性。本發(fā)明的技術(shù)方案是:PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器，其中涉及的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器結(jié)構(gòu)(如圖1)包括:硅(Si)襯底(I)，襯底正上方為一層絕緣介質(zhì)稱為體絕緣層(2)，體絕緣層正上方為摻雜不同的半導體薄膜層形成P型源極(3)和N型漏極(4)，在源極漏極分界處源極一側(cè)正上方從下到上依次為底層絕緣介質(zhì)(5)、電荷存儲層(6)、頂層絕緣介質(zhì)(7)和控制柵極(8)?？刂茤艠O(8)是多晶硅、金屬或其他透明導電電極，控制柵極面或襯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 ；頂層絕緣介質(zhì)(7) —般為寬帶半導體，以保證電子穿越勢壘而進入存儲層后不會進入控制柵(8)；頂層絕緣介質(zhì)的材料采用氧化硅/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(shù)介質(zhì)材；底層介質(zhì)材料可以采用氧化硅或其它高介電常數(shù)介質(zhì)。本發(fā)明PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器的探測方法為:曝光編程過程:在探測器的源極(3)加一負偏壓脈沖VSp,漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp,同時控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.源極和漏極會產(chǎn)生耗盡層.光子進入耗盡層激發(fā)產(chǎn)生光電子；一部分光電子在源極(3)和漏極(4)電場的共同驅(qū)動下加速移動，當電子能量超過絕緣層勢壘，控制柵
(8)的電場會驅(qū)動電子越過底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲層(6)實現(xiàn)光電信號收集，完成曝光編程過程；另外電子在加速的過程中也會離化出更多的電子空穴對，可以實現(xiàn)信號的增益。電荷存儲層出)電荷量的變化引起電荷存儲層電勢發(fā)生變化，這個變化量可以通過讀取過程得到，進而可以知道光信號的大??；信號讀取過程:器件讀取過程是基于帶帶(bant to band)隧穿的原理操作，漏極
(4)的電流強烈依賴與它和電荷存儲層(6)之間的電場(指數(shù)關(guān)系)，因此該電流對電荷存儲層中存儲的電荷也比較敏感，通過這個原理可以實現(xiàn)讀取操作。具體操作為:在漏極(4)加一正偏壓VDread,同時控制柵(8)要加負偏壓VGread,源極(3)加電壓VSread,測試漏極電流Id，則漏極電流大小受到電荷存儲層(6)電勢的影響，這樣讀到的電流數(shù)可以側(cè)面表征收集到的光電子量，能夠認為是光強的信號強度；，實際操作過程中為了更準確讀取收集到的光電子數(shù)目，采用兩次讀取方法，具體操作為在無光下編程后讀取一次得到電流Idtl，曝光編程后讀取一次得到讀取電流為Id1，兩次讀取電流做差(Aid = Id1-1d0)最終的信號大小。復位擦除:復位操作采用類似Flowler-Nordheim隧穿方式,在控制柵(8)加一個負高壓VGreset,漏極(4)加電壓脈沖VDreset,在底層絕緣介質(zhì)兩邊電場達到10MW/cm時，電子會從電荷存儲層隧穿進入溝道或漏區(qū)實現(xiàn)復位擦除功能。曝光過程中在源極(3)加一負偏壓脈沖VSp,漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp,同時控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.讀取過程中在源極(3)接VSread，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDread,同時控制柵(8)要加負向偏壓脈沖VGread ；VSp 取值范圍為-1OV -0.5V，VDp 范圍為 0.5V 10V，VGp 為 5V 15V，VSread取值范圍為-1V IV，VDread取值范圍為0.1V 4V，VGread取值范圍為-10V -0.5V。本發(fā)明的有益效果是:PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器，特點在于采用單個晶體管作為一個像素，與傳統(tǒng)的電荷存儲層MOSFET結(jié)構(gòu)類似，采用薄膜晶體管非揮發(fā)存儲器結(jié)構(gòu)與PN結(jié)結(jié)合，通過一個器件完成整個成像復位讀取工作，它相當于CMOS-APS采用三個以上晶體管完成的功能，所以緩解了像素尺寸進一步縮小的壓力，由于采用一個器件完成一個像素所有的功能，而且采用三端結(jié)構(gòu)，可以空出更多的接觸面積用于縮小像素尺寸，另夕卜，三端的結(jié)構(gòu)和探測模式可以很好避免短溝道效應(yīng)，而且也不存在兩極穿通問題。PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器還具有如下特點:高動態(tài)范圍，可以通過調(diào)節(jié)控制柵的讀取電壓來調(diào)節(jié)讀取信號大小，擴大器件的動態(tài)范圍；另外探測器所探測的信號可以原位長久存儲，具有非揮發(fā)特性，支持多次讀取，便于操作和數(shù)據(jù)處理。


圖1為PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器基本結(jié)構(gòu)，圖2為探測器工作在曝光模式下工作狀態(tài)，圖3為探測器曝光過程中各個區(qū)域的能帶圖和電子轉(zhuǎn)移過程，圖4為探測器工作在讀取模式下工作狀態(tài)，圖5為探測器工作在復位模式下工作狀態(tài)。具體實施方法下面將參閱

本發(fā)明探測器結(jié)構(gòu)及其具體的探測方法。本發(fā)明探測器基本結(jié)構(gòu)采用PN結(jié)薄膜晶體管復合介質(zhì)柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示本發(fā)明探測器基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還類似于復合介質(zhì)柵光敏探測器結(jié)構(gòu)(參考W02010/094233，介質(zhì)材料的厚度可以參考)，不同的是本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用更簡單的三端結(jié)構(gòu)，包括:硅(Si)襯底
(I)，襯底正上方為一層絕緣介質(zhì)稱為體絕緣層(2)，體絕緣層正上方為摻雜不同的半導體薄膜層形成P型源極(3)和N型漏極(4)，在源極漏極分界處靠近P型一側(cè)正上方從下到上依次為底層絕緣介質(zhì)(5)、電荷存儲層￠)、頂層絕緣介質(zhì)(7)和控制柵極(8)。本發(fā)明所述探測器曝光編程方式采用熱電子注入方式，如圖2所示曝光編程過程示例，在源極(3)加一負偏壓脈沖VSp (如-4V)，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp (如2V)，同時控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp(如10V)。源極表面和漏區(qū)邊緣會產(chǎn)生耗盡層(9)。光子進入耗盡層后如果光子能量[光子hv >半導體Eg (或Eg+ △ Ec)]，會激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，圖3說明了光電子產(chǎn)生和運動過程，其中一部分電子在源極(3)和漏極(4)電場的驅(qū)動下加速移動，當電子能量超過底層介質(zhì)層勢壘高度時就會在控制柵(8)電場的驅(qū)動下穿過底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲層出)。另外電子在加速運動的過程中也會進行碰撞而離化出更多的電子空穴對，產(chǎn)生的電子也會有一部分被收集到。電荷存儲層￠)電荷量的變化導致探測器電荷存儲層電勢的變化，這個變化可以通過讀取過程得到，進而可以知道光電子信號量大小。本發(fā)明探測器讀取方式采用測量漏極產(chǎn)生的隧穿電流大小來表征光信號大小，圖4為探測器讀取過程示意圖，在漏極(4)加一正偏壓VDread(如2v)，同時控制柵(8)要加負偏壓VGread (如-6v)，源極(3)為VSread接地，測試漏極(4)的電流。施加電壓后在漏極表面能帶發(fā)生彎曲，比較高的彎曲使得在邊緣處(9)發(fā)生電子帶帶隧穿,形成隧穿電流。N型漏極電流強烈依賴漏極(4)與電荷存儲層(6)之間的電場(指數(shù)關(guān)系)，其中電流電場關(guān)系根據(jù)一般的MOSFET模型可為:Id = A*Es*exp (_B/ES)其中A和B都是常數(shù)，Es為漏極⑷表面的電場，只考慮電荷存儲層的影響則更具體的表達式可以為:
權(quán)利要求
1.PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器，其特征是PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器結(jié)構(gòu)包括硅(Si)襯底(I)，襯底正上方為一層絕緣介質(zhì)稱為體絕緣層(2)，體絕緣層正上方為摻雜不同的半導體薄膜層形成P型源極(3)和N型漏極(4)，在源極漏極分界處源極一側(cè)正上方從下到上依次為底層絕緣介質(zhì)(5)、電荷存儲層￠)、頂層絕緣介質(zhì)(7)和控制柵極(8);控制柵極(8)是多晶硅、金屬或其他透明導電電極，控制柵極面或襯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 ；頂層絕緣介質(zhì)(7) —般為寬帶半導體，以保證電子從源極穿越勢壘而進入存儲層后不會進入控制柵(8);頂層絕緣介質(zhì)的材料采用氧化硅/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(shù)介質(zhì)材；底層介質(zhì)材料可以采用氧化硅或其它高介電常數(shù)介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器，其特征是底層絕緣介質(zhì)(5)為:氧化娃 4-10nm、氮化娃 4_10nm,層絕緣介質(zhì)或為 Hf02、A1203、ZrO2 > Y2O3> BaTiO3>8&2103、26104或了&203，其等效5102厚度為4-1011111 ;頂層絕緣介質(zhì)(7)為氧化硅10_20nm，也可以為 Hf02、Al203、Zr02、Y203、BaTi03、BaZr03、ZrSi04 或 Ta2O3,其等效 SiO2 厚度為 10_20nm，還可以為氧化硅/氮化硅/氧化硅復合結(jié)構(gòu)，其等效SiO2厚度為10-20nm;電荷存儲層(6)為多晶硅50-150nm或氮化硅3-10nm;控制柵(8)為多晶硅50_200nm，或為金屬或其它透明導電電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2之一所述的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器探測方法，其特征是曝光編程過程:在探測器的源極(3)加一負偏壓脈沖VSp，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp，同時控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.源極和漏極會產(chǎn)生耗盡層.光子進入耗盡層激發(fā)產(chǎn)生光電子；一部分光電子在源極(3)和漏極(4)電場的共同驅(qū)動下加速移動，當電子能量超過氧化層勢壘，控制柵⑶電場會驅(qū)動電子越過底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲層(6)實現(xiàn)光電信號收集，完成曝光編程過程；電荷存儲層出)電荷量的變化引起電荷存儲層電勢發(fā)生變化，這個變化量可以通過讀取過程得到，進而可以知道光信號的大小； 信號讀取過程:探測器的讀取過程具體操作為:在漏極(4)加一正偏壓VDread，同時控制柵(8)要加負偏壓VGread，源極(3)加電壓VSread，測試漏極電流Id，則漏極電流大小受到光電子存儲層(5)電勢的 影響，這樣讀到的電流數(shù)可以側(cè)面表征收集到的光電子量，能夠認為是光強的信號強度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器探測方法，其特征是信號讀取過程中測試漏極電流Id的實際操作過程中為了更準確讀取收集到的光電子數(shù)目，采用兩次讀取方法，具體操作為在無光下編程后讀取一次得到電流Idtl，曝光編程后讀取一次得到讀取電流為Id1，兩次讀取電流做差(Aid = Id1-1d0)最終的信號大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器探測方法，其特征是曝光過程中在源極(3)加一負偏壓脈沖VSp，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp，同時控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp ;讀取過程中在源極(3)接VSread，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDread,同時控制柵(8)要加負向偏壓脈沖VGread ； VSp取值范圍為-1OV -0.5V，VDp范圍為0.5V 10V, VGp為5V 15V，VSread取值范圍為-1V IV，VDread取值范圍為0.1V 4V，VGread取值范圍為-10V -0.5V。
全文摘要
PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測器，探測器結(jié)構(gòu)包括硅(Si)襯底(1)，襯底正上方為一層絕緣介質(zhì)稱為體絕緣層(2)，體絕緣層正上方為摻雜不同的半導體薄膜層形成P型源極(3)和N型漏極(4)，在源極漏極分界處源極一側(cè)正上方從下到上依次為底層絕緣介質(zhì)(5)、電荷存儲層(6)、頂層絕緣介質(zhì)(7)和控制柵極(8)；兩層絕緣介質(zhì)包圍電荷存儲層可以防止中間電荷的流失；底層絕緣介質(zhì)將半導體層和電荷存儲層隔離。其中控制柵和襯底至少有一種是透光的材料以便于光探測。該探測器利用PN結(jié)反偏來產(chǎn)生和收集光信號，通過測量PN結(jié)的帶帶隧穿(BTBT)電流來讀取信號大小。
文檔編號H01L31/0224GK103165726SQ201110419288
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者閆鋒, 夏好廣, 卜曉峰, 徐躍, 吳福偉, 馬浩文 申請人:南京大學