[发明专利]三端复合介质栅光敏探测器及其探测方法

权利要求书

1.三端复合介质栅光敏探测器，其特征是三段复合介质栅探测器结构包括P型半导体衬底(1)、在所述衬底正上方依次设有底层绝缘介质(6)，光电子存储层(5)，顶层绝缘介质(4)，控制栅(3)；P型半导体衬底中靠近叠层介质的任一侧通过离子注入掺杂形成高浓度N⁺型漏极(2)；所述光电子存储层(5)是多晶硅、Si₃N₄或其它电子导体或半导体；控制栅极(3)是多晶硅、金属或其他透明导电电极，控制栅极面或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；顶层绝缘介质(4)一般为宽带半导体，以保证电子从衬底穿越势垒而进入存储层后不会进入栅极(3)；顶层绝缘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；底层介质材料可以采用氧化硅或其它高介电常数介质。

2.根据权利要求1所述的三端复合介质栅光敏探测器，其特征是底层绝缘介质(6)为：氧化硅4-10nm、氮化硅4-10nm，也可以为HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为4-10nm。顶层绝缘介质(4)可以为氧化硅10-20nm，也可以为HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Y₂O₃、BaTiO₃、BaZrO₃、ZrSiO₄或Ta₂O₃，其等效SiO₂厚度为10-20nm，还可以为氧化硅/氮化硅/氧化硅复合结构，其等效SiO₂厚度为10-20nm。光电子存储层(5)可以为多晶硅50-150nm或氮化硅3-10nm。控制栅(3)可以为多晶硅50-200nm，也可以为金属或其它透明导电电极。

3.根据权利要求1或2所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是曝光编程过程：在探测器的衬底(1)加一负偏压脉冲VBp，漏端(2)加一正偏压脉冲VDp，同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.衬底表面和漏区会产生耗尽层.光子进入耗尽层激发产生光电子；一部分光电子在栅极(3)和漏极(2)电场的驱动下向着栅极(3)方向加速移动，当电子能量超过氧化层势垒，就会越过底层介质(6)注入电荷存储层(5)实现光电信号收集，完成曝光编程过程；电荷存储层(5)电荷量的变化导致器件阈值电压发生变化，这个变化量可以通过读取过程得到，进而可以知道光电子存储层中光电子数目；

信号读取过程：探测器的读取过程是基于栅压诱导漏端漏电流(GIDL)的方法操作，N型漏端(2)的电流强烈依赖于漏端(2)与电荷存储层(5)之间的电场、且为指数关系；具体操作为：在漏端(2)加一正偏压VDread，同时控制栅(3)要加负偏压VGread，衬底1VBread接地，测试漏端电流Id，则漏端电流大小受到光电子存储层(5)电势的影响，电荷存储层存储的电子数越多，GIDL电流会越大，这样读到的电流数可以侧面表征收集到的光电子量，能够认为是光强的信号强度；

复位擦除：复位操作采用类似Flowler-Nordheim隧穿方式，在栅极(3)加一个负高压VGreset，漏端(2)和衬底(1)都同时施加一个正电压脉冲Vbase，在底层绝缘介质两边电场达到10MW/cm时，电子会从电荷存储层隧穿进入沟道或漏区实现复位擦除功能。

4.根据权利要求3所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是信号读取过程中测试漏端电流Id的实际操作过程中为了更准确读取收集到的光电子数目，采用两次读取方法，具体操作为在无光下编程后读取一次得到电流Id₀，曝光编程后读取一次得到读取电流为Id₁，两次读取电流做差(ΔId＝Id₁-Id₀)最终的信号大小。

5.根据权利要求3或4所述的三端复合介质栅光敏探测器探测方法，其特征是曝光过程中在衬底1加一负偏压脉冲VBp，漏端(2)加一正偏压脉冲VDp，同时控制栅(3)要加零偏压或加正向偏压脉冲VGp.读取过程中在衬底1接VBread，漏端(2)加一正偏压脉冲VDread，同时控制栅(3)要加正向偏压脉冲VGread；

VBp取值范围为-8V～-0.5V，VDp范围为0.5V～5V，VGp为0.1V～10V，VBread取值范围为-1V～1V，VDread取值范围为0.1V～7V，VGread取值范围为-10V～0.1V。