一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法，其中，光电探测器的阵列包括：由栅极公共端组成的字线、由漏极公共端组成的位线、由公共源极组成的共源端以及由具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。所述双工作模式包括：通过一个包含双阱结构的全像素单元进行光采集，使得光电探测器实现高灵敏度的工作模式；以及将一个像素单元拆分成两个半宽度像素，每个半宽度像素单独完成一个像素点光信号的采集，使得光电探测器实现高分辨率的工作模式。本发明专利技术的优点是，通过所述的UTBB光电探测器阵列及其工作方法，在不改变原有器件性能的基础上，使得具有UTBB结构的光电探测器同时具有高分辨率和高灵敏度两种工作模式。

A UTBB photodetector array and its working method

The invention discloses a UTBB photodetector array and its working method, wherein the photodetector array comprises a word line composed of a grid common end, a bit line composed of a drain common end, a common source end composed of a common source and a potential well end composed of substrates with different doping types. The dual-mode operation includes: optical acquisition through an all-pixel unit containing a double-well structure, so that the photoelectric detector achieves a high-sensitivity mode of operation; and a pixel unit is split into two half-width pixels, each half-width pixel completes the acquisition of a pixel light signal individually, so as to enable photoelectric detection. The detector realizes high resolution work mode. The invention has the advantage that the UTBB photodetector array and its working method can make the photodetector with UTBB structure have two working modes of high resolution and high sensitivity without changing the performance of the original device.

【技术实现步骤摘要】
一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法
本专利技术涉及光电成像领域，特别是涉及了一种UTBB光电探测器阵列及其工作方法，用于不同的使用需求。
技术介绍
光电成像探测器在生产生活中被广泛使用。现有主流光电成像探测器是CCD和CMOS-APS结构。这两种结构目前的感光单元尺寸均处于微米级别，且由于技术限制，很难进一步缩小。一些新型单晶体管光电成像探测器虽然感光单元尺寸能够缩小到亚微米级别，但在某些对灵敏度有高要求的应用当中，其感光性能很难满足需求。CMOS-APS光电器件通过其感光单元光电二极管收集电荷后转变为电压信号，然后通过CMOS电路放大并读取。COMS感光阵列示意图如图2所示。该阵列在感光时所有感光单元同时曝光，每个像素独立收集该像素点处的光信号并将其转化为电信号存储在感光单元内；曝光结束后，感光单元中的信号通过行列选择被依次读取出来，从而完成一次感光操作。该阵列中的每个感光单元均包含多个晶体管等器件结构，这使得像素尺寸局限在微米量级以上无法进一步缩小。一些使用单个晶体管(如UTBB结构)实现光电探测单元可以有效降低感光单元尺寸。目前，有采用UTBB结构作为图像传感器的方案，其阵列基本结构与工作方式与CMOS感光阵列类似。然而，这类阵列工作方式单一，阵列的工作性能主要取决于单元器件的性能，很难根据不同应用需求调整工作方式。因此，一种UTBB光电探测器的阵列排列方法及其双工作模式方法是令人期望的。
技术实现思路
针对上述内容，根据本专利技术的一个方面公开了一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，所述阵列由M×N个，且M、N大于等于2的全像素单元组成，所述全像素单元具有双阱差分结构，包括：半宽度像素的衬底中部分区域具有P型掺杂和半宽度像素的衬底中部分区域具有N型掺杂。优选的，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。更优选的，所述势阱端包括：P型势阱端与N型势阱端。更优选的，所述P型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有P型掺杂的部分衬底组成的公共端；所述N型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有N型掺杂的部分衬底组成的公共端。更优选的，所述位线包括：由具有P型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第一位线；以及由具有N型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第二位线。更优选的，所述第一位线与第二位线交替排列。根据本专利技术的另一个方面，公开了一种使用上述光电探测器阵列的工作方法，包括：通过一个全像素单元完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高灵敏度的工作模式；以及利用全像素单元中的半宽度像素，分别完成一个像素光信号的采集，使得光电探测器实现高分辨率的工作模式。进一步的，所述高灵敏度的工作模式包括；在具有P型掺杂的半宽度像素的P型掺杂区域施加反向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流减小；在具有N型掺杂的半宽度像素的N型掺杂区域施加正向电势，使得该半宽度像素光照后的开态电流增大；通过计算具有P型掺杂的半宽度像素与具有N型掺杂的半宽度像素的开态电流的变化量，获得差分电流，从而获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高灵敏度的工作模式。更进一步的，所述差分电流为一个全像素单元中两个具有不同掺杂类型的半宽度像素的漏极与源极之间的导通电流。更进一步的，所述高分辨率的工作模式包括：以每个半宽度像素中开态电流的增加量或减小量，获得一个像素的光照强度，实现光电探测器的高分辨率的工作模式。本专利技术的优点是，通过所述的UTBB光电探测器阵列及其工作方法，在不改变原有器件性能的基础上，使得具有UTBB结构的光电探测器同时具有高分辨率和高灵敏度两种工作模式。附图说明通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了本专利技术UTBB光电探测器阵列中全像素单元内的结构示意图图2示出了CMOS光电探测器阵列结构示意图。图3示出了本专利技术的UTBB光电探测器阵列结构示意图。图4示出了光电探测器的工作流程图。图5示出了本专利技术的具有P型势阱的半宽度像素的转移特性图。图6示出了本专利技术的具有N型势阱的半宽度像素的转移特性图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。如图1所示，本专利技术UTBB光电探测器阵列中全像素单元内的结构示意图，其中①、为沟道区域，②、为漏端区域，③、⑩为源端区域，④、为埋氧层，⑤、⑨、为隔离层，⑥为P型势阱区域，⑦为N型势阱区域，⑧为衬底区域。具体的，沟道区域①或沟道区域上方为栅端区域，通过在栅端区域施加定向电势使得电子聚集在其下方的沟道区域中，当电势达到阈值时，聚集在栅端区域下方沟道区域中的电子形成沟道，使得漏端区域与源端区域导通，进而，在一定的漏源电压下产生开态电流。P型势阱区域⑥与N型势阱区域⑦为衬底区域⑧的一部分，区别在于，P型势阱区域⑥或N型势阱区域⑦与衬底区域⑧具有相同或不同的掺杂类型，并具有不同的掺杂浓度。沟道区域①、漏端区域②、源端区域③、埋氧层④、P型势阱区域⑥以及衬底区域⑧共同组成了P型半宽度像素；对应的，沟道区域漏端区域源端区域⑩、埋氧层N型势阱区域⑦以及衬底区域⑧共同组成了N型半宽度像素。此外，如图1所示由所述P型半宽度像素与所述N型半宽度像素组成的阵列具有nMOSFET结构，其一个半宽度像素内仅包含一个晶体管，大大缩小了像素点的体积，使得所述P型或N型半宽度像素的尺寸达到了亚微米的级别，进而使得当由具有P型势阱或N型势阱的半宽度像素分别实现一个像素的光采集时，具有更高的分辨率。上述中，所述全像素单元主要由晶体管组成，是主要的光电转换元件。如图3所示，为本专利技术的UTBB光电探测器阵列结构示意图。所述阵列由多个全像素单元组成，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。具体的，图3所示的阵列中，包含4X2个全像素单元，每个全像素单元包含一个P型势阱半宽度像素和一个N型势阱半宽度像素。该阵列可以具有两种感光模式：高分辨率模式和高灵敏度模式。在高分辨率模式下，每个P型势阱半宽度像素和N型势阱半宽度像素均作为独立像素点进行感光。在高灵敏度模式下，一个全像素单元作为一个像素点进行感光。阵列由常见的行列选择外围控制电路实现读取，并由外围电路控制实现阵列工作模式的切换。更具体的，其中WL1、WL2、WL3与WL4为位线，分别为每一行P型半宽度像素或N型半宽度像素的栅极公共端；BL1-、BL1+、BL2-以及BL2+为字线，分别为每一列P型半宽度像素或N型半宽度像素的漏极公共端。由于每个全像素单元均包含一个P型半宽度像素和一个N型半宽度像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，所述阵列由M×N个，且M、N大于等于2的全像素单元组成，所述全像素单元具有双阱差分结构，包括：半宽度像素的衬底中部分区域具有P型掺杂和半宽度像素的衬底中部分区域具有N型掺杂。

【技术特征摘要】
1.一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，所述阵列由M×N个，且M、N大于等于2的全像素单元组成，所述全像素单元具有双阱差分结构，包括：半宽度像素的衬底中部分区域具有P型掺杂和半宽度像素的衬底中部分区域具有N型掺杂。2.根据权利要求1所述的阵列，其特征在于，所述阵列包括：由全像素单元的栅极公共端组成的字线、由全像素单元的漏极公共端组成的位线、由全像素单元的公共源极组成的共源端以及由全像素单元的具有不同掺杂类型区域的衬底分别组成的势阱端。3.根据权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述势阱端包括：P型势阱端与N型势阱端。4.根据权利要求3所述的阵列，其特征在于，所述P型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有P型掺杂的部分衬底组成的公共端；所述N型势阱端为由全像素单元中半宽度像素具有N型掺杂的部分衬底组成的公共端。5.根据权利要求2所述的阵列，其特征在于，所述位线包括：由具有P型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第一位线；以及由具有N型掺杂区域的半宽度像素的漏极公共端组成的第二位线。6.根据权利要求5所述的阵列，其特征在于，所述第一位线与第二位线交替排列。7.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜刚，刘力桥，沈磊，刘晓彦，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11