專利名稱：Pn結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像探測(cè)器件，尤其是基于薄膜晶體管非揮發(fā)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的成像探測(cè)器件工作機(jī)制，是一種PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)器。
背景技術(shù)：
圖像傳感器在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用非常廣泛，如移動(dòng)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、各種攝像機(jī)以及國(guó)防探測(cè)領(lǐng)域，當(dāng)前發(fā)展的主要成像探測(cè)器是CCD和CMOS-APS兩種類型，CCD出現(xiàn)較早，技術(shù)相對(duì)比較成熟，它的基本結(jié)構(gòu)是一列列MOS電容串聯(lián)，通過(guò)電容上面電壓脈沖時(shí)序控制半導(dǎo)體表面勢(shì)阱產(chǎn)生和變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光生電荷信號(hào)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移讀出，CMOS-APS每個(gè)像素采用二極管和多個(gè)晶體管組成，通過(guò)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(hào)。高分辨的圖像傳感器成為一個(gè)重要的研究方向，高分辨探測(cè)器無(wú)論在商業(yè)及國(guó)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(wàn)級(jí)像素的產(chǎn)品，都力圖進(jìn)一步縮小像素尺寸提高分辨率，CCD因?yàn)槭艿竭吘夒妶?chǎng)等效應(yīng)使得他像素尺寸的很難在2um以下進(jìn)一步縮小。而CMOS-APS隨著CMOS工藝節(jié)點(diǎn)的縮小像素尺寸也可以進(jìn)一步縮小，不過(guò)CMOS-APS每個(gè)像素由多個(gè)晶體管與一個(gè)感光二極管構(gòu)成(含放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路)，使得每個(gè)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(duì)較小。另外CMOS-APS每個(gè)像素包含多個(gè)晶體管來(lái)完成引址選通等操作，一般的像素單元包含三個(gè)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(guò)采用更小的工藝節(jié)點(diǎn)和電路共享等方法實(shí)現(xiàn)像素尺寸的不斷縮小，已經(jīng)可以達(dá)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(gè)像素，采用單個(gè)晶體管作為一個(gè)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(fù)合介質(zhì)柵的光敏探測(cè)器結(jié)構(gòu)，采用與CMOS工藝兼容的單個(gè)器件結(jié)構(gòu)作為一個(gè)獨(dú)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(huì)面臨著許多如短溝道效應(yīng)、源漏穿通，漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低等問(wèn)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(cè)器結(jié)構(gòu)和探測(cè)方法，尤其提出一種PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)器和探測(cè)方法，可以有效的進(jìn)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(cè)器，其中涉及的PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)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(dǎo)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(chǔ)層(6)、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(dǎo)電電極，控制柵極面或襯底層至少有一處為對(duì)探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)透明或半透明的窗口 ；頂層絕緣介質(zhì)(7) —般為寬帶半導(dǎo)體，以保證電子穿越勢(shì)壘而進(jìn)入存儲(chǔ)層后不會(huì)進(jìn)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(cè)器的探測(cè)方法為:曝光編程過(guò)程:在探測(cè)器的源極(3)加一負(fù)偏壓脈沖VSp,漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp,同時(shí)控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.源極和漏極會(huì)產(chǎn)生耗盡層.光子進(jìn)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(chǎng)的共同驅(qū)動(dòng)下加速移動(dòng)，當(dāng)電子能量超過(guò)絕緣層勢(shì)壘，控制柵
(8)的電場(chǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)電子越過(guò)底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲(chǔ)層(6)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)收集，完成曝光編程過(guò)程；另外電子在加速的過(guò)程中也會(huì)離化出更多的電子空穴對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益。電荷存儲(chǔ)層出)電荷量的變化引起電荷存儲(chǔ)層電勢(shì)發(fā)生變化，這個(gè)變化量可以通過(guò)讀取過(guò)程得到，進(jìn)而可以知道光信號(hào)的大??；信號(hào)讀取過(guò)程:器件讀取過(guò)程是基于帶帶(bant to band)隧穿的原理操作，漏極
(4)的電流強(qiáng)烈依賴與它和電荷存儲(chǔ)層(6)之間的電場(chǎng)(指數(shù)關(guān)系)，因此該電流對(duì)電荷存儲(chǔ)層中存儲(chǔ)的電荷也比較敏感，通過(guò)這個(gè)原理可以實(shí)現(xiàn)讀取操作。具體操作為:在漏極(4)加一正偏壓VDread,同時(shí)控制柵(8)要加負(fù)偏壓VGread,源極(3)加電壓VSread,測(cè)試漏極電流Id，則漏極電流大小受到電荷存儲(chǔ)層(6)電勢(shì)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(rèn)為是光強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度；，實(shí)際操作過(guò)程中為了更準(zhǔn)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(wú)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(hào)大小。復(fù)位擦除:復(fù)位操作采用類似Flowler-Nordheim隧穿方式,在控制柵(8)加一個(gè)負(fù)高壓VGreset,漏極(4)加電壓脈沖VDreset,在底層絕緣介質(zhì)兩邊電場(chǎng)達(dá)到10MW/cm時(shí)，電子會(huì)從電荷存儲(chǔ)層隧穿進(jìn)入溝道或漏區(qū)實(shí)現(xiàn)復(fù)位擦除功能。曝光過(guò)程中在源極(3)加一負(fù)偏壓脈沖VSp,漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp,同時(shí)控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.讀取過(guò)程中在源極(3)接VSread，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDread,同時(shí)控制柵(8)要加負(fù)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(cè)器，特點(diǎn)在于采用單個(gè)晶體管作為一個(gè)像素，與傳統(tǒng)的電荷存儲(chǔ)層MOSFET結(jié)構(gòu)類似，采用薄膜晶體管非揮發(fā)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與PN結(jié)結(jié)合，通過(guò)一個(gè)器件完成整個(gè)成像復(fù)位讀取工作，它相當(dāng)于CMOS-APS采用三個(gè)以上晶體管完成的功能，所以緩解了像素尺寸進(jìn)一步縮小的壓力，由于采用一個(gè)器件完成一個(gè)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(cè)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(wèn)題。PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)器還具有如下特點(diǎn):高動(dòng)態(tài)范圍，可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制柵的讀取電壓來(lái)調(diào)節(jié)讀取信號(hào)大小，擴(kuò)大器件的動(dòng)態(tài)范圍；另外探測(cè)器所探測(cè)的信號(hào)可以原位長(zhǎng)久存儲(chǔ)，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(cè)器基本結(jié)構(gòu)，圖2為探測(cè)器工作在曝光模式下工作狀態(tài)，圖3為探測(cè)器曝光過(guò)程中各個(gè)區(qū)域的能帶圖和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，圖4為探測(cè)器工作在讀取模式下工作狀態(tài)，圖5為探測(cè)器工作在復(fù)位模式下工作狀態(tài)。具體實(shí)施方法下面將參閱

本發(fā)明探測(cè)器結(jié)構(gòu)及其具體的探測(cè)方法。本發(fā)明探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)采用PN結(jié)薄膜晶體管復(fù)合介質(zhì)柵結(jié)構(gòu)，如圖1所示本發(fā)明探測(cè)器基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還類似于復(fù)合介質(zhì)柵光敏探測(cè)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(jiǎn)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(dǎo)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(chǔ)層￠)、頂層絕緣介質(zhì)(7)和控制柵極(8)。本發(fā)明所述探測(cè)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(guò)程示例，在源極(3)加一負(fù)偏壓脈沖VSp (如-4V)，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp (如2V)，同時(shí)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(huì)產(chǎn)生耗盡層(9)。光子進(jìn)入耗盡層后如果光子能量[光子hv >半導(dǎo)體Eg (或Eg+ △ Ec)]，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，圖3說(shuō)明了光電子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，其中一部分電子在源極(3)和漏極(4)電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下加速移動(dòng)，當(dāng)電子能量超過(guò)底層介質(zhì)層勢(shì)壘高度時(shí)就會(huì)在控制柵(8)電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下穿過(guò)底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲(chǔ)層出)。另外電子在加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中也會(huì)進(jìn)行碰撞而離化出更多的電子空穴對(duì)，產(chǎn)生的電子也會(huì)有一部分被收集到。電荷存儲(chǔ)層￠)電荷量的變化導(dǎo)致探測(cè)器電荷存儲(chǔ)層電勢(shì)的變化，這個(gè)變化可以通過(guò)讀取過(guò)程得到，進(jìn)而可以知道光電子信號(hào)量大小。本發(fā)明探測(cè)器讀取方式采用測(cè)量漏極產(chǎn)生的隧穿電流大小來(lái)表征光信號(hào)大小，圖4為探測(cè)器讀取過(guò)程示意圖，在漏極(4)加一正偏壓VDread(如2v)，同時(shí)控制柵(8)要加負(fù)偏壓VGread (如-6v)，源極(3)為VSread接地，測(cè)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(qiáng)烈依賴漏極(4)與電荷存儲(chǔ)層(6)之間的電場(chǎng)(指數(shù)關(guān)系)，其中電流電場(chǎng)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(chǎng)，只考慮電荷存儲(chǔ)層的影響則更具體的表達(dá)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(cè)器，其特征是PN結(jié)薄膜晶體管非揮發(fā)光電探測(cè)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(dǎo)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(chǔ)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(dǎo)電電極，控制柵極面或襯底層至少有一處為對(duì)探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)透明或半透明的窗口 ；頂層絕緣介質(zhì)(7) —般為寬帶半導(dǎo)體，以保證電子從源極穿越勢(shì)壘而進(jìn)入存儲(chǔ)層后不會(huì)進(jìn)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(cè)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?yàn)?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(fù)合結(jié)構(gòu)，其等效SiO2厚度為10-20nm;電荷存儲(chǔ)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?yàn)榻饘倩蚱渌该鲗?dǎo)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(cè)器探測(cè)方法，其特征是曝光編程過(guò)程:在探測(cè)器的源極(3)加一負(fù)偏壓脈沖VSp，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp，同時(shí)控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp.源極和漏極會(huì)產(chǎn)生耗盡層.光子進(jìn)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(chǎng)的共同驅(qū)動(dòng)下加速移動(dòng)，當(dāng)電子能量超過(guò)氧化層勢(shì)壘，控制柵⑶電場(chǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)電子越過(guò)底層介質(zhì)(5)注入電荷存儲(chǔ)層(6)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)收集，完成曝光編程過(guò)程；電荷存儲(chǔ)層出)電荷量的變化引起電荷存儲(chǔ)層電勢(shì)發(fā)生變化，這個(gè)變化量可以通過(guò)讀取過(guò)程得到，進(jìn)而可以知道光信號(hào)的大?。? 信號(hào)讀取過(guò)程:探測(cè)器的讀取過(guò)程具體操作為:在漏極(4)加一正偏壓VDread，同時(shí)控制柵(8)要加負(fù)偏壓VGread，源極(3)加電壓VSread，測(cè)試漏極電流Id，則漏極電流大小受到光電子存儲(chǔ)層(5)電勢(shì)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(rèn)為是光強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)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(cè)器探測(cè)方法，其特征是信號(hào)讀取過(guò)程中測(cè)試漏極電流Id的實(shí)際操作過(guò)程中為了更準(zhǔn)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(wú)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(hào)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(cè)器探測(cè)方法，其特征是曝光過(guò)程中在源極(3)加一負(fù)偏壓脈沖VSp，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDp，同時(shí)控制柵(8)要加正向偏壓脈沖VGp ;讀取過(guò)程中在源極(3)接VSread，漏極(4)加一正偏壓脈沖VDread,同時(shí)控制柵(8)要加負(fù)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(cè)器，探測(cè)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(dǎo)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(chǔ)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(chǔ)層可以防止中間電荷的流失；底層絕緣介質(zhì)將半導(dǎo)體層和電荷存儲(chǔ)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(cè)。該探測(cè)器利用PN結(jié)反偏來(lái)產(chǎn)生和收集光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量PN結(jié)的帶帶隧穿(BTBT)電流來(lái)讀取信號(hào)大小。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK103165726SQ201110419288
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:南京大學(xué)