[发明专利]一种CMOS图像传感器像素结构及其制备、使用方法

说明书

本发明属于光电探测领域的图像传感器，提出了一种CMOS图像传感器像素结构及其制备、使用方法；所述像素结构包括P型衬底，所述P型衬底包括由下至上设置的光敏区、倍增区以及像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部的左侧或由右侧，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至倍增区；本发明通过在像素部分对探测到的光子所形成的光生载流子进行倍增，从而提高器件探测微弱光的灵敏度，进而提升了CMOS图像传感器在微光下的探测成像能力。

技术领域

本发明属于光电探测领域的图像传感器，特别是适用于微光环境下的图像传感器；具体为一种CMOS图像传感器像素结构及其制备、使用方法。

背景技术

图像传感器是一种测量光强度的装置，互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器由像元探测光强并转换成电压输出。

为提高微弱光尤其是单光子的探测能力，需要采用倍增的方法增强信号，现有的方法是将薄层雪崩光电二极管(avalanche photodiode，简称APD)结构与电路集成实现；如图1所示，传统的背照式CMOS图像传感器像素结构一般由常规的CMOS图像传感器由像素区域、电路区域、背面光敏区和P型衬底构成，入射光被器件光敏区吸收后，通过扩散和漂移的方式被像素区域收集并转换为电压；如图2所示，此类结构可以参见下述文章中的描述：Mosconi D,Stoppa D,Pancheri L,et al.CMOS single-photon avalanche diode arrayfor time-resolved fluorescence detection[C].Solid-State Circuits Conference,2006.ESSCIRC 2006.Proceedings of the 32^nd European.IEEE,2006:564-567.但这些图像传感器均存在占空比不高、对长波(600nm以上)响应不强的问题。

发明内容

为解决现有像元级倍增式CMOS图像传感器响应度低、占空比低的问题，本发明提出了背照式像元级倍增的像素结构，可以解决上述问题，600nm-1100nm波长的响应度平均可提高1倍以上，占空比可以由不到70％提升至100％。

本发明的一种CMOS图像传感器像素结构，所述像素结构包括P型衬底，所述P型衬底包括由下至上设置的光敏区、倍增区以及至少一个像元区域；所述像元区域位于P型衬底的顶部，所述像元区域上形成有深N阱电子通道，并连通至倍增区。

优选的，所述P型衬底形成的厚度为一微米至一毫米。

在本发明的像素结构的基础上，本发明还提出了一种CMOS图像传感器像素结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、根据探测所需的波长选择合适掺杂浓度以及合适厚度的P型衬底；在600nm-1100nm波长下，该P型衬底的厚度为80微米～500微米；P型衬底的掺杂浓度为1.0×10¹⁷/cm³至1.0×10²²/cm³；

S2、在所述P型衬底的顶部的形成有至少一个像元区域后，可对该P型衬底进行减薄；

S3、通过扩散或掺杂的方式在P型衬底上形成N型倍增区和P型光敏区；

S4、采用注入或扩散的方式在像元区域制作深N阱，从而连通像元区域至倍增区。

因此，减薄后的P型衬底的厚度为一微米至一毫米。

优选的，所述倍增区采用N型杂质进行掺杂，其掺杂浓度为1.0×10¹⁸/cm³至1.0×10²¹/cm³。