本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體光電傳感器。

背景技術(shù)：

光電傳感器的應(yīng)用非常廣泛，在民用，軍用以及科研等領(lǐng)域都至關(guān)重要。根據(jù)其用途和敏感波長(zhǎng)不同，又可分為多種類(lèi)型。 其基本原理大體類(lèi)似，即光子通過(guò)具有特定禁帶寬度的半導(dǎo)體材料時(shí)會(huì)激發(fā)出自由電子，而通過(guò)檢測(cè)這些電子的濃度即可得提取出光的強(qiáng)度。

目前通用的光電傳感器大體分為兩類(lèi)，一類(lèi)是使用電容式，如常用的CCD傳感器[4]，而另外一類(lèi)是基于反向p-n，如CMOS傳感器[5]。對(duì)于CCD傳感器，光產(chǎn)生的電子被電容極板所收集，之后通過(guò)電荷耦合轉(zhuǎn)移到電荷放大器進(jìn)行放大。由于CCD傳感器基于串行的電荷轉(zhuǎn)移，其工作速度慢，電荷轉(zhuǎn)移需要消耗額外的能量并且需要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移復(fù)雜時(shí)鐘信號(hào)。而在CMOS傳感器中，光在反向p-n結(jié)中產(chǎn)生電流，通過(guò)額外的積分和放大器，將此產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。CMOS傳感器不需要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，因此彌補(bǔ)了CCD傳感器的一些缺點(diǎn)。然而，CCD傳感器必須使用大量的外部晶體管對(duì)p-n結(jié)產(chǎn)生的光電流進(jìn)行積分和放大，增大了傳感單元的復(fù)雜度，且損失了有效的傳感面積降低了傳感器的靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種傳感單元復(fù)雜度低，有效傳感面積大，靈敏度高的新型的半導(dǎo)體光電傳感器。

本發(fā)明提出的半導(dǎo)體光電傳感器，與現(xiàn)有的CCD和CMOS傳感器不同，它基于不同的工作機(jī)理，對(duì)光產(chǎn)生的電荷進(jìn)行積分并進(jìn)行內(nèi)部放大直接輸出高電流。無(wú)須進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，也無(wú)須任何額外的外圍部件進(jìn)行電荷積分和信號(hào)放大。它基于場(chǎng)效應(yīng)正反饋和動(dòng)態(tài)耦合的機(jī)理。場(chǎng)效應(yīng)正反饋是一種新穎的半導(dǎo)體器件物理機(jī)制，它由萬(wàn)景等人于2012年首次結(jié)合實(shí)驗(yàn)和仿真定量的闡述，并由此提出了零亞閾擺幅零碰撞電離晶體管（Z²-FET） [1,2]。此后，更是將基于此機(jī)理的Z²-FET應(yīng)用于高速動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器[3,4]。

本發(fā)明提出的半導(dǎo)體光電傳感器，基于場(chǎng)效應(yīng)正反饋和動(dòng)態(tài)耦合的機(jī)理，其器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由以下幾個(gè)部分組成：不摻雜或是弱摻雜的襯底(1)，埋層氧化層(2)和半導(dǎo)體溝道區(qū)(3)，在半導(dǎo)體溝道之上是覆蓋溝道的柵氧化層(4)以及部分覆蓋溝道區(qū)域的正柵極(5)。此外，在左邊的源極區(qū)域是重p型摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域(6)，而右邊是重n型摻雜的漏極區(qū)域(7)。 本器件有四個(gè)外接金屬電極，分別是源極金屬接觸(8)，漏極金屬接觸(9)，正柵極金屬接觸(10)和背柵極金屬接觸(11)。

所述的半導(dǎo)體光電傳感器，是基于絕緣層上硅或者建立在絕緣層上的其他半導(dǎo)體，如鍺，鍺硅和氮化鎵等。

所述的半導(dǎo)體光電傳感器，其溝道為不摻雜或者弱摻雜。

所述的半導(dǎo)體光電傳感器，其源漏為重度反型摻雜，即一方為n型而另一方為p型摻雜。且源漏的摻雜深度淺至5nm，深可覆蓋整個(gè)溝道區(qū)域。

所述的半導(dǎo)體光電傳感器，其柵極只覆蓋部分溝道，柵極離源極和漏極有一段距離L1 和 L2；L1和L2大于50nm。

本發(fā)明提出的半導(dǎo)體光電傳感器的制備方法，具體步驟為：

（1）起始的絕緣層上硅，包括襯底(1)，埋層氧化層(2)和上層半導(dǎo)體(3)；

（2）淀積柵氧化層(4)和正柵極材料(5)；

（3）光刻并刻蝕以形成正柵極圖形(5)；

（4）光刻并離子注入以形成源極；

（5）光刻并離子注入以形成漏極并高溫退火以激活摻雜，如圖1 (7)；

（6）光刻并去除源漏區(qū)域的氧化層，打開(kāi)金屬接觸的窗口；

（7）淀積金屬接觸并退火，以形成源極（8），漏極（9），正柵（10）和背刪（11）的金屬接觸。

更加詳細(xì)的工藝步驟如實(shí)施例1所描述。

本發(fā)明中，基于場(chǎng)效應(yīng)正反饋的Z²-FET建立在全耗盡的絕緣層上硅的襯底上，溝道的硅層厚度在20nm以下。借助于全耗盡的薄硅層，柵極得以在溝道中形成載流子的注入勢(shì)壘從而控制器件的導(dǎo)通。此勢(shì)壘是場(chǎng)效應(yīng)正反饋機(jī)制起作用的關(guān)鍵。而光電傳感器的應(yīng)用則需要較厚的硅層（大于50nm)從而有效地吸收光子。當(dāng)溝道的硅層過(guò)厚時(shí)，絕緣層上硅為部分耗盡。此時(shí)，施加在正柵極上的電壓將會(huì)被表面反型的溝道所屏蔽而不能控制最底部靠近埋層處的溝道，從而不能建立場(chǎng)效應(yīng)正反饋所須的載流子勢(shì)壘。因此，我們借助了另外一個(gè)效應(yīng)-動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)。動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)是由Maryline等人于2006年在絕緣層上硅的MOS器件中發(fā)現(xiàn)的 [2]。在快速的柵極脈沖下，溝道表面來(lái)不及產(chǎn)生反型層。由于沒(méi)有反型層的屏蔽，施加在柵極上的電壓形成的電場(chǎng)得以進(jìn)入深層的溝道，從而在整個(gè)溝道內(nèi)形成場(chǎng)效應(yīng)正反饋所須的勢(shì)壘。而光產(chǎn)生的電子由于電場(chǎng)的作用，會(huì)逐漸在溝道表面聚集，從新形成反型層，從而屏蔽柵極電場(chǎng)，使得器件快速的導(dǎo)通。

相比于建立在全耗盡絕緣層上硅襯底上的Z²-FET結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所提出的光電傳感器結(jié)構(gòu)具有非常厚的溝道層（>100nm）以有效的吸收光子。且柵極離源漏各有一段大于50nm的間隔。此間隔有助于降低結(jié)遂穿產(chǎn)生的暗電流，并加大耗盡區(qū)域以提高光子吸收的面積。

本發(fā)明器件的工作機(jī)理結(jié)合場(chǎng)效應(yīng)正反饋原理和絕緣層上硅的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，在一定的瞬態(tài)電壓偏置下，通過(guò)絕緣層上硅的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)，器件的能帶呈現(xiàn)出類(lèi)似于場(chǎng)效應(yīng)正反饋器件的載流子注入勢(shì)壘。此注入勢(shì)壘的高度受到光致載流子的調(diào)控，從而使得器件能被光觸發(fā)而導(dǎo)通。由于基于場(chǎng)效應(yīng)正反饋效應(yīng)，此器件具有響應(yīng)速度快，工作電流高和器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電傳感器的結(jié)構(gòu)圖示。

圖2為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電傳感器的制備流程圖示。

圖3為本發(fā)明的半導(dǎo)體光電傳感器的實(shí)施例結(jié)構(gòu)。其中，（a）實(shí)施例2對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)，（b）實(shí)施例3對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

基于同一工作原理，器件的結(jié)構(gòu)可以不同，具體實(shí)施方式依據(jù)實(shí)施例不同可分為：

實(shí)施例1（對(duì)應(yīng)圖1的器件結(jié)構(gòu)和圖2的工藝流程）：

（1）如圖3(a)所示,為起始的絕緣層上硅晶片。其襯底摻雜一般為弱p型摻雜，摻雜濃度在10¹⁵cm^-2 至 10¹⁷cm^-2 之間。其埋層一般為二氧化硅，厚度在10nm至1000nm之間。上層的溝道一般為硅、鍺硅或者氮化鎵等材料。厚度為50nm至1000nm之間；

（2）淀積一層?xùn)叛趸瘜雍鸵粚诱龞艠O，如圖3(b)所示。柵氧化層一般為二氧化硅(SiO2),也可是氮化硅，三氧化二鋁或氧化鉿等材料。厚度一搬為2nm至30nm之間。淀積方式可以是熱氧化，化學(xué)氣相沉積或原子層沉積等方法。正柵極一般為多晶硅，也可是銦錫氧化物（ITO）等透明材料或是鋁等金屬，其厚度可為10nm至200nm；

（3）光刻并打開(kāi)正柵極圖形的窗口，之后利用光刻膠為掩膜對(duì)正柵極進(jìn)行刻蝕以形成柵極的圖形；刻蝕可選用干法或者濕法方法。干法刻蝕一般使用氟基或者鹵族元素氣體，如SF6，CHF3，HBr或者Cl2等。而濕法腐蝕一般使用TMAH，KOH等溶液；

（4）光刻并打開(kāi)源極圖形的窗口，之后腐蝕掉柵氧化層，并進(jìn)行離子注入，以形成源極區(qū)域；刻蝕柵氧化層可選用干法或者濕法方法。干法刻蝕一般使用氟基氣體，如CHF3。而濕法腐蝕一般使用稀釋的氫氟酸溶液。離子注入一般使用砷或磷，劑量為10¹³cm^-2 至 10¹⁶cm^-2之間，能量為10keV至300keV之間；

（5）光刻并打開(kāi)漏極圖形的窗口，之后腐蝕掉柵氧化層，并進(jìn)行離子注入，以形成源極區(qū)域。此后，進(jìn)行退火以激活源漏的摻雜；離子注入一般使用硼或者BF2，劑量為10¹³cm^-2 至 10¹⁶cm^-2 之間，能量為10keV至300keV之間。離子激活退火溫度一般為900度至1200度之間，時(shí)間為1微秒至10秒；

（6）淀積金屬并退火以在源漏和柵極形成電極；常用金屬為鋁，鎳或鈦等，退火溫度為300度至900度之間。

實(shí)施例2（對(duì)應(yīng)圖3(a)的器件結(jié)構(gòu)圖）

實(shí)施例2與實(shí)施例1類(lèi)似，區(qū)別在于它在溝道增加了一段p型摻雜的區(qū)域，此區(qū)域摻雜濃度比實(shí)施例1的溝道摻雜高，摻雜濃度在10¹⁶cm^-2 至 10¹⁹cm^-2 之間。此段區(qū)域的長(zhǎng)度在10nm至1000nm之間。 此實(shí)施例有助于減小器件的尺寸，增大有效的吸光面積。此外，相對(duì)比實(shí)例1，溝道可以不摻雜或者摻雜濃度更低，這有助于增大吸光的耗盡區(qū)體積，使得上層硅可以更厚。

實(shí)施例3（對(duì)應(yīng)圖3(b)的器件結(jié)構(gòu)圖）

實(shí)施例3與實(shí)施例2類(lèi)似，區(qū)別在于它在將源漏和溝道的摻雜區(qū)域在垂直方向疊起來(lái)而非水平鋪開(kāi)。此實(shí)施例有助于進(jìn)一步減小器件尺寸，增大有效的吸光面積。同樣的，相對(duì)比實(shí)例1，溝道可以不摻雜或者摻雜濃度更低，這有助于增大吸光的耗盡區(qū)體積，使得上層硅可以更厚。

參考文選：

1. J. Wan, C. Le Royer, A. Zaslavsky and S. Cristoloveanu, Z2-FET field-effect transistor with a vertical subthreshold slope and with no impact ionization, 2013, 美國(guó)專(zhuān)利：US8,581,310.

2. J. Wan, S. Cristoloveanu, C. Le Royer and A. Zaslavsky, Dynamic memory cell provided with a field-effect transistor having zero swing, 2013, 美國(guó)專(zhuān)利：20,130,100,729.

3. M. Bawedin, S. Cristoloveanu, J.G. Yun and D. Flandre, A new memory effect (MSD) in fully depleted SOI MOSFETs, Solid-State Electronics 49 (2005) 1547–1555

4. Keith Fife, Abbas El Gamal and H.-S. Philip Wong, A 0.5p,m Pixel Frame-Transfer CCD Image Sensor in 110nm CMOS, IEEE International Electron Devices Meeting, 2007:1003 – 1006

5. Ajp Theuwissen, CMOS image sensors: State-of-the-art, Solid-State Electronics, 2008, 52(9):1401-1406

6. J. Wan, S. Cristoloveanu, C. Le Royer and A. Zaslavsky, A feedback silicon-on-insulator steep switching device with gate-controlled carrier injection. Solid-State Electronics, 2012. 76: p. 109-111.

7. J. Wan, C. Le Royer, A. Zaslavsky and S. Cristoloveanu, A Compact Capacitor-Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration. IEEE Electron Device Letters, 2012. 33(2): p. 179-181.。