阅读说明：本技术 基于双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件 (Composite dielectric gate controllable self-gain photosensitive detection device based on double control gates ) 是由 马浩文 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件。该器件包括复合介质栅、MOS电容和感光晶体管，复合介质栅的P型基底上方依次设有底层介质层、浮栅和顶层介质层，顶层介质层上方设有MOS电容的控制栅极和感光晶体管的控制栅极，感光晶体管的控制栅极通过互连导线和P型基底连接；MOS电容和感光晶体管设置在P型基底内，并通过浅槽隔离；感光晶体管设有源极和漏极；MOS电容和感光晶体管之间通过浮栅相连。本发明的器件能实现低功耗的感光自增益功能和增益控制功能，同时满足对强光和弱光的探测需求，实现高动态范围的光敏探测。(The invention discloses a composite dielectric gate controllable self-gain photosensitive detection device based on a dual-control gate. The device comprises a composite dielectric gate, an MOS capacitor and a photosensitive transistor, wherein a bottom dielectric layer, a floating gate and a top dielectric layer are sequentially arranged above a P-type substrate of the composite dielectric gate, a control grid of the MOS capacitor and a control grid of the photosensitive transistor are arranged above the top dielectric layer, and the control grid of the photosensitive transistor is connected with the P-type substrate through an interconnection lead; the MOS capacitor and the photosensitive transistor are arranged in the P-type substrate and are isolated by a shallow groove; the photosensitive transistor is provided with a source electrode and a drain electrode; the MOS capacitor is connected with the photosensitive transistor through a floating gate. The device can realize the photosensitive self-gain function and the gain control function with low power consumption, simultaneously meet the detection requirements on strong light and weak light, and realize the photosensitive detection with high dynamic range.)

基于双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件

技术领域

本发明涉及光敏探测器件，尤其是可控自增益光敏探测器件的结构、工作机制，具体涉及一种基于双控制栅的复合介质栅的可控自增益光敏探测器件。

背景技术

半导体光敏器件在日常生活和国防领域发挥着极其重要的作用，如图像传感器、光敏开关、光功率计等。目前，大多数半导体光敏器件都是应用在光照下，光子被半导体吸收而产生电子空穴对，通过电子空穴对的分离和移动产生电流。当然，其中多数都是需要有外加电压的，并且一般来说其光电转换的增益都是固定值，难以在需要进行高动态范围的光敏探测并且低功耗的条件下应用。

公开号CN102938409A专利所示的光敏器件可以将光信号转换为电流信号，但是其前提是必须在栅端或衬底端加上一定的电压，不能做到无外加电压下的光电转换，无法实现低功耗的感光自增益功能。

公开号CN103137775A专利所示的光敏可控器件虽然可以实现低功耗的感光自增益功能，并在一定程度上可以调节光电转换的增益，但其是通过FN隧穿的编程或擦除来实现抑制和放大两种工作态，而FN隧穿除了会对器件造成损伤外，还难以精确控制，所以并不能完成真正意义上的增益控制功能，不能实现高动态范围的光敏探测。

因此，现有的光敏探测器件都不能同时满足增益控制功能和低功耗的感光自增益功能，而实际的需求对高集成度、多功能的光敏探测器件提出了要求，低功耗的感光自增益并且增益可控的光敏探测器件更可以在诸多领域发挥作用。

发明内容

本发明的目的是基于复合介质栅MOSFET光敏探测器，提供一种双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件。

本发明采用的技术方案如下：

基于双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件，包括复合介质栅、MOS电容和感光晶体管，所述复合介质栅的P型基底上方依次设有底层介质层、浮栅和顶层介质层，顶层介质层上方设有MOS电容的控制栅极和感光晶体管的控制栅极，感光晶体管的控制栅极通过互连导线和P型基底连接；所述MOS电容和感光晶体管设置在P型基底内，并通过浅槽隔离；所述感光晶体管设有源极和漏极；所述MOS电容和感光晶体管之间通过浮栅相连。

进一步地，所述浮栅是电子导体或半导体。

进一步地，所述MOS电容和感光晶体管共用浮栅。

进一步地，所述MOS电容的控制栅极和感光晶体管的控制栅极为多晶硅、金属或透明导电电极。

进一步地，所述感光晶体管的控制栅极或P型基底至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

进一步地，所述底层介质层和顶层介质层均为绝缘材料。

进一步地，位于所述MOS电容和感光晶体管上方的底层介质层和顶层介质层的厚度相同或者不同。

进一步地，所述底层介质层和顶层介质层的厚度均大于6nm。

进一步地，所述感光晶体管的控制栅极和P型基底保持浮空，感光晶体管的源极接地，其漏极加上0.1V～3V的固定电压；所述MOS电容的控制栅极在初始条件下接地，在强光照条件下，给所述MOS电容的控制栅极加上-3V～0V的固定电压。

本发明通过使用增益控制MOS电容和自增益感光晶体管来分别实现光敏探测器的增益控制和感光自增益功能，通过双控制栅的不同作用的结合，能实现低功耗的感光自增益功能和增益控制功能，同时满足对强光和弱光的探测需求，实现高动态范围的光敏探测。其具体的特点和优越性有：

(1)低功耗自增益：本发明的探测器件在进行光响应时，无需外加栅压或衬底电压，仅需在漏极加上一个较小的偏置电压即可实现对光的响应和探测。并且由于衬底和感光晶体管的控制栅极互连，使得较小的光照即可引起较大的漏极电流，有效的实现了低功耗自增益的功能。

(2)高动态范围：本发明的探测器件结构，通过双控制栅的设计，使其能够根据光照强度的大小选择在MOS电容的控制栅极上加上合适的调制电压，在器件层次上实现了对于光响应增益的调控。既能够保证在强光下光响应不会达到饱和，又能够确保在弱光下光响应产生的漏极电流在可探测范围内，实现了高动态范围的光探测。

附图说明

图1是本发明光敏探测器件垂直于复合介质栅晶体管沟道方向即栅宽方向的结构示意图；

图2是本发明自增益感光晶体管平行于沟道方向即栅长方向的结构示意图；

图3是本发明增益控制MOS电容平行于沟道方向即栅长方向的结构示意图；

图4是本发明光敏探测器件在光敏探测时的电压操作示意图；

图5是本发明光敏探测器件感光自增益曲线图；

图6是本发明光敏探测器件在强光下减小增益的曲线图；

图7是本发明光敏探测器件在弱光下增大增益的曲线图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的描述。

本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件结构，包括复合介质栅、增益控制MOS电容和自增益感光晶体管，其中增益控制MOS电容实现探测器的增益控制功能，自增益感光晶体管实现探测器的感光自增益功能。图1—图3分别给出了自增益感光晶体管栅宽和栅长方向上的增益控制MOS电容和自增益感光晶体管的结构示意，其结构包括：

半导体衬底(P型)；半导体衬底正上方依次设有底层绝缘介质、浮栅、顶层绝缘介质、控制栅1和控制栅2，控制栅1是电容的控制栅极，控制栅2是晶体管的控制栅极，控制栅2通过互连导线和P型基底连接；半导体衬底中(在自增益感光晶体管一侧)通过离子注入掺杂形成N型源极和漏极，用以读取光电流大小；增益控制MOS电容和自增益感光晶体管之间通过浅槽隔离隔开；浮栅采用多晶硅、Si₃N₄或其它电子导体或半导体；增益控制MOS电容和自增益感光晶体管共用浮栅，使得增益控制MOS电容能够通过控制栅1改变浮栅电势，进而改变自增益感光晶体管的阈值电压，控制增益的大小；控制栅1、控制栅2采用多晶硅、金属或透明导电电极，控制栅2或P型衬底基底层至少有一处为对探测器探测波长透明或半透明的窗口。

底层绝缘介质层和顶层绝缘介质可以有效隔离浮栅，阻止电子隧穿进入浮栅；绝缘介质一般为宽带半导体，其中底层介质材料采用氧化硅、SiON或其它高介电常数介质；顶层介质的材料采用氧化硅/氮化硅/氧化硅、氧化硅/氧化铝/氧化硅、氧化硅、氧化铝或其它高介电常数介质材料。

互连导线一般为金属、多晶硅或其它低阻值导电材料。

和传统的外加超过阈值的栅压来开启晶体管不同的是，本发明双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件是利用晶体管的控制栅2和P型衬底的互连所形成的异质结势垒来分离入射光子所产生的电子空穴对，空穴的积聚会提升P型衬底和控制栅2的电势，相当于有一个外加的栅压加在衬底和控制栅2上，当其超过阈值后，就能开启晶体管，在漏极产生可探测的电流。由于不需要外加栅压，仅需在光照下即可开启晶体管，产生电流，该晶体管实现了低功耗的感光自增益功能。再通过控制栅1对浮栅电势进行调控，即可控制光电转换的增益，满足不同强度光强下的探测需求。因此，本实施例的双控制栅的复合介质栅可控自增益光敏探测器件能够实现感光自增益和可控变增益。

增益控制MOS电容和自增益感光晶体管上方的底层介质层和顶层介质层厚度可以相同也可以不同。自增益感光晶体管上方的介质层厚度可以低于增益控制MOS电容上方的介质层厚度。前提是：保证自增益感光晶体管和底层介质层的界面处和自增益感光晶体管源漏端的电子不会通过隧穿的方式进入浮栅。一般而言，增益控制MOS电容和自增益感光晶体管上方的介质层厚度均要大于6nm。

图4是本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件在光敏探测时的电压操作示意图，互连的控制栅2和P型基底保持浮空，自增益感光晶体管的源极接地，漏极加上0.1V～3V的固定电压，控制栅1初始时接地；在光照条件下，入射光子在P型基底中产生电子空穴对，由于控制栅2和P型基底互连并形成了异质结结构，空穴在异质结势垒的作用下向衬底底部流动，电子则积聚在衬底表面；流向衬底底部的空穴提升了衬底电势，由于互连导线的存在，控制栅2的电势也相应提高；两相作用下，自增益感光晶体管达到阈值开启，在漏极可以探测到明显的电流，实现了无外加栅压下对光信号的增益，并且光强越强，漏极电流越大。

控制栅1初始接地的光照条件下，漏极产生相应的电流信号，并且光强越强，漏极电流信号越大，光强越弱，漏极电流信号越小，其光电转换的增益是固定的；而通过在控制栅1上加上额外的栅压，可以使得增益控制MOS电容根据控制栅1上的电压改变浮栅电势，进而改变自增益感光晶体管的阈值电压，调节漏极电流信号的大小，控制光电转换的增益。在强的光照条件下，控制栅1加上-3V～0V的固定电压，可以减小漏极电流信号，降低光电转换的增益，进而可以探测更强的光信号；在弱的光照条件下，控制栅1加上0V～3V的固定电压，可以增大漏极电流信号，提高光电转换的增益，进而可以探测更弱的光信号。

在漏极固定为0.5V，控制栅1固定为0V的情况下，本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件其对光强的自增益曲线如图5所示。可以看出该探测器件具备感光自增益的功能，且其在控制栅1固定为0V的情况下增益系数是固定值。

在漏极固定为0.5V，控制栅1初始为0V，其后控制栅1在光强较强时变为-0.3V的情况下，本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件其对光强的可控自增益曲线如图6所示。可以看出该探测器件具备在强光下减小光电转换增益的能力，可以满足对更强光照的探测需求。

在漏极固定为0.5V，控制栅1初始为0V，其后控制栅1在光强较弱时变为0.3V的情况下，本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件其对光强的可控自增益曲线如图7所示。可以看出该探测器件具备在弱光下增大光电转换增益的能力，可以满足对更弱光照的探测需求。

结合图5、图6和图7，可以看出本实施例的双控制栅复合介质栅可控自增益光敏探测器件可以进行低功耗感光自增益的光敏探测，并且可以根据光照强度的不同选择不同的光电转换增益的值，同时满足对强光和弱光的探测需求，实现高动态范围的光探测。