半导体感光器件的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种半导体感光器件，它包括一个源极、一个漏极、一个控制栅极、一个浮栅区、一个衬底以及一个用于连接浮栅区和漏极的ｐ－ｎ结二极管，所述半导体器件的浮栅区用于存储电荷。所述半导体器件的浮栅电势与光照射强度和时间有关，因此可以作为半导体感光器件。由所述半导体感光器件可以组成阵列从而组成图像传感器。本发明专利技术公开了一种上述半导体感光器件的控制方法，包括复位、感光、读取步骤。本发明专利技术公开的半导体感光器件可以简化传统图像传感器中单个像素单元的设计，减小单个像素单元所占用的面积，从而提高图像传感芯片的像素密度，增加图像传感芯片的分辨率并降低制造成本，其控制方法及控制电路也较为简单。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体感光器件与阵列，特别是一种半导体感光器件与阵列的结构与其制造方法。本专利技术还涉及一种半导体感光器件与阵列的操作原理。
技术介绍
图像传感器是用来将光信号转换为电信号的半导体器件，由图像传感器器件组成 的图像传感器芯片(Image Sensor)被广泛应用于数码相机、摄像机及手机等多媒体产品 中。 目前图像传感器主要有两种电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)图像 传感器和CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)图像传感器。电荷耦合器件 具有图像质量高、噪声小等优点，但其生产成本也偏高，同时不宜同外围电路集成。CMOS图 像传感器集成度高、体积小、功耗低、动态范围宽，并且可以与当前的制造工艺兼容，而且具 有高度系统整合的条件。因此，近年来CM0S图像传感器已成为发展热点。 CMOS图像传感器包括多个M0S晶体管和用作外围电路的信号处理电路等部分，并 利用CMOS技术将其整合在半导体衬底之上。传统CM0S图像传感器核心的感光元件部分即 单个像素主要是由一个反偏二极管与放大MOS管组成，通过MOS晶体管依次检测出各单位 像素的输出。 图1和图2展示了 2种现有的CMOS图像传感器的单个像素单元的电路组成。 参照图1，该CMOS图像传感器的单个像素单元具有4个M0S管，具体包括光电二 极管(PD)、电荷溢出门管(TG)、复位晶体管(RST)、源极跟随器(SF)以及选择晶体管(RS)。 它的工作过程是首先进入复位状态，复位晶体管RST导通，对光敏二极管复位。然后进 入取样状态，复位晶体管RST关闭，光照射到光电二极管上产生光生载流子，并通过源跟 随器SF放大输出；最后进入读出状态，这时选择晶体管(RS)打开，信号通过列总线输出。 参照图2，该CMOS图像传感器的像素单元可以视为图1的结构在形式上的改进。4 个电荷溢出门管(TG)和光电二极管的组合相互并联，共用一个复位晶体管、源极跟随器以 及选择晶体管。单个像素的工作原理同图1相同。 从产品的技术发展趋势看，无论是CCD图像传感器还是CMOS图像传感器，体积小 型化、高可靠性以及高像素化一直是业界积极研发的目标。上面两种技术中，每个像素单元 除了光电二极管外还使用了多个晶体管。对于图1，每个像素单元都有4个独立工作的晶体 管，占据了较大的衬底面积，像素较低，产品分辨率不高；图2在一定程度上提高了图像传 感器的像素，但是由于像素单元中晶体管和光电二极管较多，CMOS感光电路变得复杂，相应 地也使得外围控制电路的复杂化，同时图像传感器的可靠性降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是降低CMOS图像传感器中单个像素单元的电路复杂 度，提高图像传感器的像素。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种新型的半导体感光器件及其阵列，同时提供了控制这种半导体感光器件的方法。 半导体感光器件的源区与多条源线中的任意一条相连接，其漏区与多条位线中的任意一条相连接，其控制栅极与多条字线中的任意一条相连接，其浮栅区储存电荷，所述浮 栅区通过所述漏区和控制栅极进行电容耦合，以及一个用于连接所述浮栅区和所述漏区的感光二极管，所述包含以下步骤 对多个半导体感光器件中的一个进行复位的步骤 对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压； 对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第二个电压，并对与所述半导体感光 器件相连接的位线施加第三个电压，由此使所述半导体感光器件中的所述感光二极管正向 偏置，该半导体感光器件被重置； 对多个半导体感光器件中的一个进行感光的步骤 对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压； 对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第四个电压，并对与所述半导体感光 器件相连接的位线施加第五个电压，由此使所述半导体感光器件的栅控二极管处于反向偏 置状态； 进行曝光，半导体感光器件的漏区与浮栅区之间的光生电流可以改变浮栅电势，使所述半导体感光器件的阈值电压变化； 对多个半导体感光器件中的一个进行读取的步骤 对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压； 对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第六个电压，并对与所述半导体感光 器件相连接的位线施加第七个电压，读取通过源区与漏区的电流，根据电流大小判断曝光强度。 进一步地，所述第一个电压范围为-lV到1V;所述第二个电压范围为-1V到10V; 所述第三个电压范围为IV到-5V ;所述第四个电压范围为-2V到5V ;所述第五个电压范围 为-2V到4V ;所述第六个电压范围为0V到10V ;所述第七个电压范围为-2V到4V。 进一步地，所述半导体感光器件，包括一个具有第一种掺杂类型的半导体衬底；在 所述半导体衬底上形成的具有第二种掺杂类型的源区和漏区；在所述半导体衬底内形成的 介于所述源区和漏区之间的一个沟道区域；在所述沟道区域之上形成的覆盖整个沟道区域 的第一层绝缘薄膜；在该第一层绝缘薄膜之上形成的一个作为电荷存储节点的具有导电性 的浮栅区；所述的浮栅区和所述漏区之间通过一个用来感光的感光P_n结二极管连接；覆 盖在所述浮栅区之上的第二层绝缘薄膜；以及在所述第二层绝缘薄膜之上形成的控制栅 极。 进一步地，所述半导体衬底内形成一个介于所述沟道区域和漏区之间的具有第二 种掺杂类型的阱区，在所述阱区内形成一具有和所述阱区相反的掺杂类型的反掺杂区域， 所述阱区及其反掺杂区域形成一个感光P_n结二极管。 进一步地，所述第一种掺杂类型为p型杂质掺杂，第二种掺杂类型为n型杂质掺 杂；或者，所述第一种掺杂类型为n型杂质掺杂；第二种掺杂类型为p型杂质掺杂。 进一步地，所述感光p-n结二极管是硅基p-n同质结，或者是由SiGe、InGaAs、GaN、 GaAs和Si组合形成的异质结。 进一步地，所述半导体衬底为单晶硅、绝缘体上硅、锗化硅或砷化镓。 进一步地，所述绝缘薄膜是由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者高介电常数的绝缘体形成。 进一步地，所述浮栅区是由多晶硅、钨、氮化钛、氮化钽或者合金材料形成，其形成 的导体层的厚度范围为20-300纳米。 进一步地，通过控制所述感光p-n结二极管的受光强度，采用其光电效应来控制 浮存储在浮栅区内的电荷以及浮栅区的电势，进而改变所述半导体感光器件源极与漏极之 间的电流的大小。 进一步地，通过控制所述控制栅的电压，采用电荷感应原理来控制所述浮栅区电 势。 本专利技术的半导体感光器件所具有的有益效果是将传统的图像传感器的像素单元 设计从复杂的CMOS电路简化为单个感光器件，从而可以在相同面积的硅衬底上制造更多 的像素单元，获得更高的图像分辨率。另一方面，本专利技术提出的半导体感光器件和阵列的控 制方法较为简单，可靠。附图说明 下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明 图1和图2是现有的CMOS图像传感器的单个像素单元的电路图； 图3是本专利技术的半导体感光器件的一个实施例的剖面图； 图4是图3所示的半导体感光器件的等效电路； 图5是本专利技术的一个实施例中的半导体感光器件阵列的结构图。 图6是本专利技术的一个实施例中的图像传感器构造图。具体实施例方式在下文中，将参照附图详细说明本专利技术的三个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体感光器件的控制方法，其特征在于：所述半导体感光器件的源区与多条源线中的任意一条相连接，其漏区与多条位线中的任意一条相连接，其控制栅极与多条字线中的任意一条相连接，其浮栅区储存电荷，所述浮栅区通过所述漏区和控制栅极进行电容耦合，以及一个用于连接所述浮栅区和所述漏区的感光二极管，其控制方法包含以下步骤：对多个半导体感光器件中的一个进行复位的步骤：对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第二个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第三个电压，由此使所述半导体感光器件中的所述感光二极管正向偏置，该半导体感光器件被重置；对多个半导体感光器件中的一个进行感光的步骤：对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第四个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第五个电压，由此使所述半导体感光器件的栅控二极管处于反向偏置状态；进行曝光，半导体感光器件的漏区与浮栅区之间的光生电流可以改变浮栅电势，使所述半导体感光器件的阈值电压变化；对多个半导体感光器件中的一个进行读取的步骤：对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第六个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第七个电压，读取通过源区与漏区的电流，根据电流大小判断曝光强度。...

【技术特征摘要】
一种半导体感光器件的控制方法，其特征在于所述半导体感光器件的源区与多条源线中的任意一条相连接，其漏区与多条位线中的任意一条相连接，其控制栅极与多条字线中的任意一条相连接，其浮栅区储存电荷，所述浮栅区通过所述漏区和控制栅极进行电容耦合，以及一个用于连接所述浮栅区和所述漏区的感光二极管，其控制方法包含以下步骤对多个半导体感光器件中的一个进行复位的步骤对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第二个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第三个电压，由此使所述半导体感光器件中的所述感光二极管正向偏置，该半导体感光器件被重置；对多个半导体感光器件中的一个进行感光的步骤对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第四个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第五个电压，由此使所述半导体感光器件的栅控二极管处于反向偏置状态；进行曝光，半导体感光器件的漏区与浮栅区之间的光生电流可以改变浮栅电势，使所述半导体感光器件的阈值电压变化；对多个半导体感光器件中的一个进行读取的步骤对与所述半导体感光器件相连接的源线施加第一个电压；对与所述半导体感光器件相连接的字线施加第六个电压，并对与所述半导体感光器件相连接的位线施加第七个电压，读取通过源区与漏区的电流，根据电流大小判断曝光强度。2. 如权利要求1所述的半导体感光器件的控制方法，其特征在于所述第一个电压范 围为-IV到IV ;所述第二个电压范围为-IV到10V ;所述第三个电压范围为IV到-5V ;所述第四个电压范围为-2V到5V ;所述第五个电压范围为-2V到4V ;所述第六个电压范围为OV 到10V ;所述第七个电压范围为-2V到4V。3. 如权利要求1所述的半导体感光器件的控制方法，其特征在于所述半导体感光器 件，包括一个具有第一种掺杂类型的半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，刘磊，刘伟，张卫，
申请(专利权)人：苏州东微半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]