[发明专利]倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD

说明书

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种能够提高EMCCD响应线性度的结构，具体涉及倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD；所述倍增寄存器结构，包括衬底和位于衬底之上的埋沟；在埋沟上覆盖有栅介质，在栅介质上形成有第一电极Ф1、第二电极Фdc、第三电极Фem和第四电极Ф3；这四个电极依次对应为第一转移相、直流相、倍增相以及第二转移相；将倍增相对应的埋沟划分为倍增埋沟和电荷埋沟，所述倍增埋沟用于电荷倍增；所述电荷埋沟用于存储倍增后的电荷；本发明提供了倍增寄存器结构以及EMCCD，将倍增寄存器分成两部分，一部分用来倍增，一部分用来存储电荷，这样可以有效避免倍增电场的降低。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种能够提高EMCCD响应线性度的结构，具体涉及倍增寄存器结构以及包括该倍增寄存器结构的EMCCD。

背景技术

雪崩倍增效应在半导体器件中很常见，在硅半导体中，当电子经过高于10⁵V/cm的电场时，便会发生雪崩倍增。一般电荷耦合器件(Charge-coupled Device，简称CCD)施加10V驱动电压便可产生10⁵V/cm的电场，因此，普通CCD中也存在雪崩倍增效应，由于倍增率很低，不容易被我们发现。电子倍增CCD(Electron-Multiplying，简称EMCCD)就是通过在转移电极上施加高电压，使得载流子发生雪崩倍增，倍增率高于普通CCD的倍增率，从而实现电子倍增。

EMCCD与普通CCD不同之处是在水平寄存器和读出放大器之间增加了一串倍增寄存器，信号电子在倍增寄存器中实现倍增放大，极微弱光信号经过倍增寄存器放大后被读出放大器读出，使得CCD器件探测灵敏度不再受读出放大器噪声限制，提高CCD器件的探测灵敏度。倍增寄存器利用电荷的“碰撞电离”效应实现对信号电子的倍增放大，因此EMCCD技术也称为“片上增益”技术，是真正意义上的全固态微光成像器件。

EMCCD倍增寄存器结构如图1所示。其中电极Ф1和Ф3由标准幅值时钟驱动(约10V)，Фdc为直流相(直流电平约2V)，Ф2加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多(约40～50V)，由于Ф2和Фdc间巨大的电压差，在Ф2和Фdc间产生巨大的电场强度使得电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，也称作雪崩倍增效应，产生新的电子，即所谓的倍增或增益。

倍增寄存器倍增时电势分布如图2所示，倍增相Ф2和直流相Фdc之间巨大的电压差，产生巨大的电场强度使得电子从价带跃迁到导带，在CCD电荷转移过程中发生“撞击离子化效应”，离化系数(也称为离化率)为电子或空穴沿着电场方向加速运动时，因碰撞离化而产生新的电子-空穴对所需经过的平均距离的倒数。离化率α_n的大小取决于倍增电场的大小，如下式(1)所示：

α_n＝A_nexp(-b_n/E) (1)

其中An、bn为经验值，倍增电场E由下式(2)表示：

E＝ΔV/w (2)

W为倍增电场宽度，ΔV为Фem和Фdc间埋沟电势差。

倍增电场区内产生电子数由下式(3)表示：

dn(x)/dx＝α_n(x)n(x) (3)

α_n(x)为x处的电离率，n(x)为x处的电子数。

则倍增电场宽度为W的区域内增益g为：

将倍增电场E的公式(2)和电离率公式(1)代入增益公式(5)则得到增益和电势差的公式：