一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法技术

本申请公开了一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；所述电荷收集层包括电荷收集控制区和电荷聚集区；所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。在电荷聚集区周围形成向心电场，光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元内。向心电场的存在提高了光电转化效率，抑制了像素间串扰，节省了浅槽隔离的面积，减小了尺寸，使其更适合于亚微米像素。

Pixel unit, array and method of utbb photodetector

【技术实现步骤摘要】
一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法
本申请涉及硅基光电探测器领域，尤其涉及一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法。
技术介绍
光电成像探测器广泛用于军事、医疗、汽车、移动设备等。目前主流光电成像探测器为电荷耦合器件(Charge-coupledDevice，CCD)光电器件及CMOS-APS光电器件，CCD光电器件直接通过电荷转移进行光电探测，而CMOS-APS光电器件通过像素单元光电二极管收集电荷后转变为电压信号通过CMOS电路放大并读取。两种光电探测器件具有各自的优势和不足。但由于器件本身结构限制，两种光电探测器单个像素单元均包含多个晶体管等器件结构，使得像素尺寸局限在微米量级以上无法进一步缩小。使用单个晶体管，如超薄体及埋氧(Ultra-ThinBoxandBody，UTBB)结构，能够有效降低光电探测单元的像素单元尺寸。然而目前有采用UTBB结构作为图像传感器的方案中，需要采用浅槽隔离来抑制像素间的串扰，限制了像素单元的进一步缩小。综上所述，需要提供一种尺寸小且能够抑制串扰的光电探测器像素单元、阵列和方法。
技术实现思路
为解决以上问题，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元、阵列和方法。一方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；所述电荷收集层用于形成向心电场以收集光生电荷，包括电荷收集控制区和电荷聚集区；所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。优选地，所述NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；所述PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。第二方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器阵列，包括：多个所述的光电探测器像素单元，多个所述光电探测器像素单元组成光电探测器阵列，其中所述光电探测器阵列的行数和列数都为大于等于2的自然数。优选地，相邻的所述光电探测器像素单元的NMOS管或PMOS管使用同一个源端或漏端。优选地，所述光电探测器阵列包括多列字线、多行位线、公共区电极和公共源极，其中，所有NMOS管的源端或PMOS管的源端与公共源极相连，电荷收集层所有的电荷收集控制区与所述公共区电极相连，每列光电探测器的栅端和与其对应的字线相连，每行光电探测器的漏极和与其对应的位线相连。第三方面，本申请提出了一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法，包括：对电荷收集控制区施加相应电压，在电荷聚集区周围产生向心电场，入射光在电荷收集层与衬底中产生光生载流子，光生载流子在向心电场的作用下进入电荷聚集区，并在埋氧层下聚集；对硅膜层的栅端和漏端施加正电压，对电荷收集控制区施加相应电压；电荷聚集区之中聚集的光生载流子根据光照强度改变，从而使NMOS管或PMOS管的阈值电压和漏端电流均发生改变；测量埋氧层上方硅膜层的漏端电流；评估光照强度。本申请的优点在于：通过在电荷聚集区周围形成向心电场，使光生电荷在向心电场的作用下聚集在相应的像素单元中。向心电场的存在提高了光电转化效率，抑制了像素间串扰，节省了浅槽隔离的面积，减小了尺寸，使其更适合于亚微米像素。附图说明通过阅读下文优选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。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的结构图；图2是本申请提供的一种UTBB光电探测器阵列的结构图；图3是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的步骤示意图；图4是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的光照前后MOS管转移特性曲线图；图5是本申请提供的一种UTBB光电探测器像素单元的探测方法的光照前后相邻的P型阱和N型阱与埋氧层界面处电势分布图。附图标记说明1沟道2漏端3源端4埋氧层5电荷收集控制区6电荷聚集区7衬底8栅端9沟道长度10漏端长度11源端长度12硅膜厚度13埋氧层厚度14电荷收集层深度15硅膜层16电荷收集层17光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。根据本申请的实施方式，提出一种UTBB光电探测器像素单元，如图1所示，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；电荷收集层包括交替排列的电荷收集控制区和电荷聚集区；衬底包括：N型衬底或P型衬底。NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。NMOS管和PMOS管的沟道长度为20至100纳米，源端长度为20至90纳米，漏端长度为20至90纳米。硅膜层的硅膜厚度为5至20纳米。埋氧层厚度为10至30纳米。电荷收集层的深度为50至1000纳米。电荷收集层包括至少一个电荷聚集区。即每个像素单元必须包括一个用于产生向心电场并聚集光生电荷的电荷聚集区。硅膜层可以全部使用NMOS管，也可以全部使用PMOS管，且使用NMOS管或PMOS管不影响其他层(如电荷收集层交替排列的电荷收集控制区和电荷聚集区)以及衬底(N型衬底或P型衬底)的布置。电荷聚集区、电荷收集控制区与硅膜层的MOSFET在横向方向上的相对位置可以调整。电荷收集层的结构不限于P型阱和N型阱交替排列结构。P型阱和N型阱的掺杂浓度和面积可以分别调整。如图1所示，以硅膜层使用NMOS管，电荷收集控制区为N型阱，电荷聚集区为P型阱，且衬底为N型衬底为例，则每个像素单元必须包括一个电荷聚集区，此电荷聚集区的位置可以在像素单元的中心，也可以不在像素单元的中心。在本申请的另一种实施方式中，电荷收集层中的电荷收集控制区还可以为P型阱，同时，电荷聚集区为N型阱。电荷收集层中的电荷收集控制区以及电荷聚集区还可以包括用于形成异质结等其他结构的物质。PN结由一个N型阱和一个P型阱紧密接触构成。如图1所示，P型阱与N型阱之间形成横向PN结，P型阱和N型衬底之间形成纵向PN结，两者共同作用下形成如图1箭头所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UTBB光电探测器像素单元，其特征在于，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；/n所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；/n所述电荷收集层用于形成向心电场以收集光生电荷，包括电荷收集控制区和电荷聚集区；/n所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。/n

【技术特征摘要】
1.一种UTBB光电探测器像素单元，其特征在于，包括：硅膜层、埋氧层、电荷收集层和衬底，所述硅膜层、埋氧层、电荷收集层和和衬底依次从上至下设置；
所述硅膜层包括：NMOS管或PMOS管；
所述电荷收集层用于形成向心电场以收集光生电荷，包括电荷收集控制区和电荷聚集区；
所述衬底包括：N型衬底或P型衬底。


2.如权利要求1所述的光电探测器像素单元，其特征在于，所述NMOS管的源端和漏端分别位于NMOS管的沟道两侧，NMOS管的栅端在NMOS管的沟道上；
所述PMOS管的源端和漏端分别位于PMOS管的沟道两侧，PMOS管的栅端在PMOS管的沟道上。


3.一种UTBB光电探测器阵列，其特征在于，包括：多个权利要求1-7任意一项所述的光电探测器像素单元，多个所述光电探测器像素单元组成光电探测器阵列，其中所述光电探测器阵列的行数和列数都为大于等于2的自然数。


4.如权利要求3所述的光电探测器阵列，其特征在于，相邻的所...

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