[发明专利]一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器及其工作方法

权利要求书

1.一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，探测器单元包括形成在同一P型半导体衬底上方的复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管，其中，复合介质栅MOS电容实现探测器的感光功能，复合介质栅晶体管实现探测器的读取功能；所述复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管在衬底中通过浅槽隔离区隔开，两者的结构均为：在衬底上方依次设有底层绝缘介质层、浮栅、顶层绝缘介质层和控制栅极，其中，浮栅和控制栅极由所述复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管共用，所述控制栅极并排设置两个以上；所述复合介质栅晶体管在衬底中还设有源极和漏极。

2.根据权利要求1所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，所述底层绝缘介质层的材料采用氧化硅或氮氧化硅；所述顶层绝缘介质层的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅或氧化铝。

3.根据权利要求1所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，所述浮栅的材料为多晶硅或氮化硅；所述控制栅的材料为多晶硅、金属或透明导电电极。

4.根据权利要求1所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，所述衬底或控制栅极面至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

5.根据权利要求1所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，所述复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管的底层绝缘介质层以及顶层绝缘介质层的厚度均大于6nm。

6.根据权利要求1所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器，其特征在于，所述探测器单元排列构成探测器阵列，在探测器阵列中，每一列探测器单元的复合介质栅晶体管的漏端相连形成位线i，其中i为任意正整数，其最大值为探测器阵列的列数；所有探测器单元的复合介质栅晶体管的源端相连形成公用源；每一行探测器单元的多个控制栅极分别相连形成字线j_N，其中j为任意正整数，其最大值为探测器阵列的行数，N为控制栅极的个数；所有探测器单元的衬底共用。

7.如权利要求6所述的一种复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)光电子的收集：在选定的控制栅极上加正电压，衬底上加负电压，将在P型半导体衬底耗尽区中形成的光电子收集到复合介质栅MOS电容的衬底和底层介质层的界面处；

(2)光电子的读出放大：由于复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管共用浮栅，复合介质栅MOS电容在曝光过程中收集到的光电子是可以通过电荷耦合效应被复合介质栅晶体管读到的；将复合介质栅晶体管的源极接地，衬底保持曝光过程中所加的负电压不变，漏极接上合适的正电压，给选定的控制栅极加上一个合适的斜坡电压来扫描阈值；通过对阈值电压的直接测量，即测量曝光前后阈值电压的两个值来进行比较，以确定光信号的大小，得到阈值电压的变化量和复合介质栅MOS电容收集到的电子电荷量之间的关系如下：

其中，ΔV_T为曝光前后阈值电压的变化量，C₁为浮栅与复合介质栅MOS电容的底层介质层表面之间的电容，C₂为浮栅与选定的控制栅极之间的电容，Q为复合介质栅MOS电容曝光时收集到的光电子电荷量；

(3)复位：在探测器选定的控制栅极上加负偏压，衬底和复合介质栅晶体管的源极都接地，一定时间后，原先积聚在复合介质栅MOS电容的衬底和底层介质层界面处的光电子在电场的作用下从地漏走。