[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

说明书

本发明公开了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。其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，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；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，浮栅和控制栅极由复合介质栅MOS电容和复合介质栅晶体管共用，控制栅极并排设置两个以上；复合介质栅晶体管在衬底中还设有源极和漏极。本发明通过选用不同的控制栅极可以实现成像的高动态范围和变增益的功能。

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、工作机制，更重要的是通过多控制栅的方案实现了在器件层次上对于增益的调控，实现成像的高动态范围。具体是涉及一种具有多控制栅的复合介质栅电容耦合变增益光敏探测器及其工作方法。

背景技术

成像探测器在军事民用等各个领域都有很大的应用。当前发展的主要成像探测器是CCD和CMOS-APS。CCD出现较早，技术相对比较成熟，它的基本结构是一列列MOS电容串联，通过电容上面电压脉冲时序控制半导体表面势阱的产生和变化，进而实现光生电荷信号的存储和转移读出。也正是由于这个信号转移特点，电荷转移速度很受限制，所以成像速度不高。另外由于是电容串联，一个电容有问题会影响整行信号的传输，所以对工艺要求极高，成品率和成本不够理想。CMOS-APS每个像素采用二极管和晶体管组成，每个像素都是相互独立的，在整个信号传输过程中不需要串行移动电荷，某一个像素出现问题不影响其它像素性能，克服了CCD在此方面的缺点，所以对工艺要求也不是那么苛刻。COMS由于采用单点信号传输，通过简单的X-Y寻址技术，允许从整个排列、部分甚至单元来读出数据，从而提高寻址速度，实现更快的信号传输。不过CMOS-APS每个像素由多个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个像素的感光区域只占据像素本身很小的表面积，灵敏度、动态范围和分辨率相对较小。

现实中，有些场景包含非常宽的光强的范围，其差异有时能够超过100dB甚至更多。而现有的主流的固态图像传感器的动态范围如下：

高端CCD 78dB

消费级CCD 66dB

消费级CMOS-APS 54dB

可见，除了高端的CCD，其它的图像传感器难以满足高动态范围场景的成像需求。而高端CCD的价格又过于昂贵。

综上，通过比较这两种主流成像探测器，可以发现它们各有优劣。为了能够结合它们各自的优势，需要提出一种基于标准CMOS工艺并能够克服传统CMOS-APS的缺点的成像探测器，并能够实现高动态范围成像。专利CN102938409A虽然提出了一种新型的双晶体管光敏探测器，一定程度上实现了低暗电流和高量子效率，但是并不能够控制增益，在高动态范围的场景中难以应用，不能突破现有的CMOS-APS的动态范围瓶颈。

发明内容

本发明的目的是基于复合介质栅MOSFET光敏探测器，提出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。通过复合介质栅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，并通过设计多个控制栅实现在器件层次上对于光响应增益的调控，从而实现成像的高动态范围。

本发明采用的技术方案如下：