【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及cmos图像传感器(cis)领域，特别涉及一种低压光电倍增式微光cis新型像素的设计。具体涉及低压光电倍增式微光cmos图像传感器新型像素结构。
技术介绍
1、cis能与标准的互补金属氧化物半导体(cmos)工艺兼容，具有成本低和集成度高等优点。随着cmos工艺的进步以及有源像素传感器(aps)和钳位光电二极管(ppd)等关键技术的提出，cis的暗电流、噪声和灵敏度等性能均接近电荷耦合器件(ccd)图像传感器。目前cis已在市场上占主导地位，并在数码电子、安防监控和航空航天等领域得到了广泛的应用。
2、微光图像传感器已广泛用于天文观测、医疗和军事等领域，而光电倍增是微光成像的关键。微光图像传感器主要有真空型和全固态型两种：真空型光电倍增管(pmt)是最早的微光图像传感器，其优点是热电流噪声低，缺点是工作电压较高、光阴极量子效率低和体积大；全固态微光图像传感器能将像素和移位寄存器集成在同一硅衬底上，目前主要有电子倍增ccd图像传感器(emccd)和基于单光子雪崩光电二极管(spad)的cis(spad-cis)。虽然emccd和spad-cis成像系统不需要真空环境，但二者均需在高压下才能实现光电倍增，这不利于降低功耗和大规模集成。微光cis因能与标准的cmos工艺兼容，所以是全固态微光图像传感器未来的发展趋势，但是低压光电倍增一直是限制微光cis发展的瓶颈。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提出一种基于俄歇(auger)激发效应的cis新型像素，该结构ci
2、在曝光前先进行反偏复位，使pdn完全耗尽，其下方的hd-icr区为auger激发效应区：复位前pdn和p-si衬底为中性区，能带为平带结构；hd-icr区为耗尽区，能带为非平带结构。复位后pdn因完全耗尽而无中性区，其能带为非平带结构；此时pdn和hd-icr区均处于全耗尽状态，且pdn区电势高于p-si衬底。由于pdn区靠近硅表面，其下方的hd-icr区远离硅表面，因此hd-pdc曝光时其光吸收分为pdn区的短波长光吸收和hd-icr区的长波长光吸收。
3、pdn区光生载流子引起的光电倍增过程如下：pdn区产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分开，光生电子被pdn收集，光生空穴则在内建电场作用下加速成为高能空穴并向p-si衬底漂移；当高能空穴经过hd-icr区时会发生auger激发效应，引起空穴倍增；与此同时，auger激发产生的电子在电场作用下加速成为高能电子并向pdn区漂移，当高能电子经过hd-icr区时会发生auger激发效应，引起电子倍增。
4、hd-icr区的光生载流子引起的光电倍增过程如下：hd-icr区产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分开，光生空穴向p-si衬底漂移，光生电子则在内建电场作用下加速成为高能电子并向pdn区漂移；当高能电子经过hd-icr区时会发生auger激发效应，引起电子倍增；与此同时，auger激发产生的空穴在电场作用下加速成为高能空穴并向p-si衬底漂移，当高能空穴经过hd-icr区时会发生auger激发效应，引起空穴倍增。
5、随着pdn中电子的收集，中性区的厚度增加、耗尽区的厚度减小，这使得hd-icr区两端的电势差逐渐降低，相应地，经过hd-icr区的载流子获得的能量逐渐减少，当该能量低于auger激发效应中载流子跃迁所需的能量时，光电倍增过程就无法进行，基于auger激发效应的光电倍增效应能够自行停止，不需配置淬灭电路。
6、hd-icr区是对p-si先进行p+重掺杂，然后再进行n+重掺杂形成的杂质补偿区。
7、本专利技术的特点及有益效果是：
8、本专利技术提出了一种基于auger激发效应的低压光电倍增式微光cis新型像素设计。与基于雪崩倍增效应的spad相比，所设计的cis新型像素在低偏置电压(3.3v)下可实现光电倍增，并与标准的cmos工艺具有较好的兼容性。随着pdn中光生电子的累积，光电倍增能够自行停止，无需配置淬灭电路，因此有利于降低功耗和大规模集成。与传统cis像素相比，所设计的cis新型像素通过auger激发效应能实现光生载流子倍增，在扩宽吸收光谱的同时还提升了在长波长范围内的量子效率，因此有利于微光成像。
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1.一种低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，结构如下：两个p阱中间是重掺杂的杂质补偿光电二极管，用HD-PDc表示；一个p阱内设置有浅沟槽隔离STI，另一个p阱内设置有传输栅TG、复位晶体管VRST、浮空扩散节点FD和电源VDD；
2.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，在曝光前先进行反偏复位，使PDN完全耗尽，其下方的HD-ICR区为Auger激发效应区：复位前PDN和p-Si衬底为中性区，能带为平带结构；HD-ICR区为耗尽区，能带为非平带结构。复位后PDN因完全耗尽而无中性区，其能带为非平带结构；此时PDN和HD-ICR区均处于全耗尽状态，且PDN区电势高于p-Si衬底。由于PDN区靠近硅表面，其下方的HD-ICR区远离硅表面，因此HD-PDc曝光时其光吸收分为PDN区的短波长光吸收和HD-ICR区的长波长光吸收。
3.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，PDN区光生载流子引起的光电倍增过程如下：PDN区产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分开，光生电子
4.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，HD-ICR区的光生载流子引起的光电倍增过程如下：HD-ICR区产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分开，光生空穴向p-Si衬底漂移，光生电子则在内建电场作用下加速成为高能电子并向PDN区漂移；当高能电子经过HD-ICR区时会发生Auger激发效应，引起电子倍增；与此同时，Auger激发产生的空穴在电场作用下加速成为高能空穴并向p-Si衬底漂移，当高能空穴经过HD-ICR区时会发生Auger激发效应，引起空穴倍增。
5.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，随着PDN中电子的收集，中性区的厚度增加、耗尽区的厚度减小，这使得HD-ICR区两端的电势差逐渐降低，相应地，经过HD-ICR区的载流子获得的能量逐渐减少，当该能量低于Auger激发效应中载流子跃迁所需的能量时，光电倍增过程就无法进行，基于Auger激发效应的光电倍增效应能够自行停止，不需配置淬灭电路。
6.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光CMOS图像传感器像素单元，其特征是，HD-ICR区是对p-Si先进行p+重掺杂，然后再进行n+重掺杂形成的杂质补偿区。
...【技术特征摘要】
1.一种低压光电倍增式微光cmos图像传感器像素单元，其特征是，结构如下：两个p阱中间是重掺杂的杂质补偿光电二极管，用hd-pdc表示；一个p阱内设置有浅沟槽隔离sti，另一个p阱内设置有传输栅tg、复位晶体管vrst、浮空扩散节点fd和电源vdd；
2.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光cmos图像传感器像素单元，其特征是，在曝光前先进行反偏复位，使pdn完全耗尽，其下方的hd-icr区为auger激发效应区：复位前pdn和p-si衬底为中性区，能带为平带结构；hd-icr区为耗尽区，能带为非平带结构。复位后pdn因完全耗尽而无中性区，其能带为非平带结构；此时pdn和hd-icr区均处于全耗尽状态，且pdn区电势高于p-si衬底。由于pdn区靠近硅表面，其下方的hd-icr区远离硅表面，因此hd-pdc曝光时其光吸收分为pdn区的短波长光吸收和hd-icr区的长波长光吸收。
3.如权利要求1所述的低压光电倍增式微光cmos图像传感器像素单元，其特征是，pdn区光生载流子引起的光电倍增过程如下：pdn区产生的光生电子-空穴对在内建电场作用下分开，光生电子被pdn收集，光生空穴则在内建电场作用下加速成为高能空穴并向p-si衬底漂移；当高能空穴经过hd-icr区时会发生auger激发效应，引起空穴倍增；与此同时，auger激发产生的电子在电场作用下...
【专利技术属性】
技术研发人员：王秀宇，吴溪广润，徐江涛，任群，崔雨昂，王洋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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