專利名稱：包含浮柵mosfet的光探測器的制作方法
最靈敏的光探測器之一是光電倍增管(PMT)或僅僅是光電倍增器。這種裝置的基本結(jié)構(gòu)是包含光敏陰極和電子倍增結(jié)構(gòu)的真空管，用高電壓對系統(tǒng)加電場，待測光子轟擊光電陰極，通過光致發(fā)射過程釋放光電子。電子倍增器由一系列被稱作倍增電極的二次發(fā)射電極(一般6-16個(gè))構(gòu)成，這種排列能夠提升電位。從陰極來的光電子射向第一個(gè)倍增電極，在這里產(chǎn)生幾個(gè)二次電子，然后，這些二次電子再射向下一個(gè)倍增電極，在這里二次發(fā)射再重復(fù)發(fā)生，依次類推。于是得到了放大，使來自輸出電極，陽極的信號足夠高，使得在電學(xué)上可以處理。光電倍增管的缺點(diǎn)是相對高的成本和需要高電壓，這使得它們的通用性受到限制和復(fù)雜化。
另一種光探測器是各種半導(dǎo)體光探測器，例如光電二極管，光電三極管，和電荷耦合器件(CCD)。它們的共同點(diǎn)是光被用來影響半導(dǎo)體材料，在材料中產(chǎn)生電荷載流子(電子和空穴)，這些載流子被收集產(chǎn)生電信號。半導(dǎo)體探測器的問題是載流子必須在半導(dǎo)體材料體中移動，在體內(nèi)，熱能產(chǎn)生高的背景噪聲。
本發(fā)明公開一種新型光探測器，本探測器價(jià)廉，靈敏，且易于構(gòu)成。它包含一個(gè)空腔，此空腔含有能通過響應(yīng)光電子的光電效應(yīng)而釋放電子(光電子)的光致發(fā)射表面。本發(fā)明的特征是光電子由具有浮柵的金屬-氧化物-半導(dǎo)體類型的場效應(yīng)晶體管(MOSFET)探測。測量之前，柵適當(dāng)?shù)爻潆姟９怆娮影l(fā)射引起柵電荷改變，這種改變就代表由探測器接收到光的量。
按照一種實(shí)施方式，光電發(fā)射表面不附于柵上，測量之前，柵充電到正電位，正電荷吸引光電子且把它們射向柵，在那里正電荷被中和而導(dǎo)致柵電位降低，這種降低就代表由探測器接收到的光量。
按照另一種實(shí)施方式，光致發(fā)射表面直接地加工在浮柵上，因此，在這種情況下，浮柵在測量之前充上負(fù)電。釋放的光電子收集到一個(gè)分開的陽極電極，或者只是收集到器件外殼的金屬壁。這引起柵電位增加，這種增加就代表被光探測器接收到的光的量。
在光電子收集期間，本光探測器不需要任何電功率(電壓)。但顯然，為了最佳化光電子收集，也可以施加附加電場。
本發(fā)明的特征是從響應(yīng)光電子光電效應(yīng)的光致發(fā)射表面釋放的電子(光電子)，允許用來影響MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體類型的場效應(yīng)晶體管)浮柵的表面。本發(fā)明是基于測量之前先測量作用到MOSFET浮柵電容中存儲的電荷上的光電子效應(yīng)。
利用浮柵首先被充上合適的電位提供電場效果來收集光電子。例如，用外加FN隧道技術(shù)來完成初始充電。
通過測量MOSFET源漏溝道的導(dǎo)電性，不破壞電荷本身就能決定柵的電荷量。這類似于讀出存儲在模擬EEPROM存儲器中所儲存的信息。
附圖
概略示出本發(fā)明的實(shí)施方式。
附圖概略地示出涉及本發(fā)明的光探測器的一種實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)注意，圖中的各種部件未按比例示出。光致發(fā)射表面20，通過光電效應(yīng)吸收光電子并釋放電子(常稱作光電子)。光電發(fā)射材料是預(yù)先知道的且可以和光電倍增器的光電陰極所用材料相同。
用MOSFET10來探測光電子。MOSFET器件有三個(gè)電極，源11，漏12，和柵13。根據(jù)本發(fā)明，柵13保持不連接，即浮置。例如，通過在源11和漏12之間加足夠的高電壓，正電荷預(yù)先在柵13上形成。這導(dǎo)致通過柵絕緣層14構(gòu)成的氧化層發(fā)生FN隧道現(xiàn)象使浮柵13上的電位設(shè)置成所需電荷。
熟知，具有浮柵的MOSFET的電荷保持特性是非常優(yōu)良的，所以，它們很適合構(gòu)成不揮發(fā)存儲器，既包括數(shù)字式也包括模擬式EPROM和EEPROM存儲器。以前，具有充電浮柵的MOSFET被用作離子輻射探測器，如PCT公開WO 95/12134所示。
正電荷建立吸引光電子的電場，且把光電子射向柵13。在柵13的表面上有一個(gè)未覆蓋的區(qū)域或一個(gè)被導(dǎo)體，半導(dǎo)體或薄的絕緣體覆蓋的區(qū)域。絕緣體的厚度可不超過，例如1mm，仍使電子可通過它達(dá)到實(shí)際的柵上。然而，最可取的是柵表面的一部分不全覆蓋，因此，在浮柵13的氧化物絕緣層14中，已預(yù)先形成孔17，光電子可以由此直接地到達(dá)柵13的表面。當(dāng)轟擊柵13的時(shí)候，光電子在其上中和正電荷而引起柵13的電位降低。所以，在所選時(shí)間間隔內(nèi)，電位的減少量就代表在那個(gè)間隔內(nèi)的由光探測器接收的光的量。
為正確地工作，光致發(fā)射表面20和MOSFET 10都被封入封閉的真空管殼21內(nèi)。管殼21有一個(gè)透明部分22，例如玻璃。通過它光子能夠達(dá)到光發(fā)射表面20，圖中示出了一個(gè)很有用的結(jié)構(gòu)，光致發(fā)射表面20被作在透明部分22的內(nèi)表面上。光致發(fā)射表面20連接到殼21的金屬壁。顯然，光致發(fā)射表面也可以適當(dāng)?shù)厣钊霘さ膬?nèi)腔。
柵13的電位正比于它的電荷，此電位可以用不破壞電荷本身的情況下來測量MOSFET 10的源漏溝道的電導(dǎo)率來決定。例如，利用在源11和漏12之間引入一個(gè)合適的電壓且測量得到的源-漏電流來測量電導(dǎo)率。換言之，被選定時(shí)間間隔內(nèi)探測的光量，可以用探測間隔之后的源漏電流與柵全充電時(shí)的初始值進(jìn)行比較來決定。
相應(yīng)地，為了在源11和漏12之間加充電電壓來用上面描述的方法測量柵13的電位(電荷)的改變，把源11和漏12利用導(dǎo)體26和27連接到裝于殼21壁的接頭28和29。
按照發(fā)明的另一種實(shí)施方式(附圖中未表示)，光致發(fā)射表面直接加工在柵上，在這種情況下，測量之前柵充負(fù)電，發(fā)射的光電子被收集到分開的陽極或只收集到殼的壁上。這引起柵電位增加，這種增加就代表由探測器接收的光的量。如上述，這是由測量源漏溝道的導(dǎo)電率來決定。
值得指出的是在光探測(即光電子收集)期間，本光探測器不需要任何電功率(電壓)，然而，為增強(qiáng)和最佳化光電子收集，自然可以在光致發(fā)射表面和浮柵(示于圖中)之間，或光致發(fā)射表面和陽極之間(圖中未示出)提供附加電位。
權(quán)利要求
1，光探測器包括-能響應(yīng)被探測光子而發(fā)射電子的光致發(fā)射表面。-具有浮柵的MOSFET，所述浮柵備有電荷，其配備方式為所述電子發(fā)射能引起所述電荷的改變，以及-包封所述光發(fā)射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分透光的，使所述光可以達(dá)到所述光致發(fā)射表面。
2，根據(jù)權(quán)利要求1的光探測器，其中所述光致發(fā)射表面不與所述浮柵和所述正電荷接觸。
3，根據(jù)權(quán)利要求1的光探測器，其中所述光致發(fā)射表面與所述浮柵接觸，所述電荷為負(fù)。
4，根據(jù)權(quán)利要求3的光探測器，還包括收集所述電子的裝置。5，光探測器包括-能夠響應(yīng)被探測光子而發(fā)射電子的光致發(fā)射表面。-具有不與所述光電子發(fā)射表面接觸的浮柵的MOSFET，所述浮柵備有正電荷，從而所述浮柵能夠收集所述電子，以及-包封所述光致發(fā)射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分是透光的，使所述光可以達(dá)到所述光致發(fā)射表面。
6，根據(jù)權(quán)利要求5的光探測器，其中所述光致發(fā)射表面是加工在所述外殼的所述透明部分的內(nèi)表面上。
7，光探測器包括-能夠響應(yīng)被探測光子而發(fā)射電子的光致發(fā)射表面，-具有與所述光致發(fā)射表面接觸的浮柵的MOSFET，所述浮柵備有負(fù)電荷，以及-包封所述光致發(fā)射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分是透光的，以使所述光可以達(dá)到所述光致發(fā)射表面。
8，根據(jù)權(quán)利要求5或7的光探測器，還包括寄存所述電荷改變的裝置，改變是由所述電子引起的，這種改變因而代表由光探測器吸收的光的量。
9，探測光的方法包括以下步驟-提供光探測器，該光探測器包括能響應(yīng)被探測光子而發(fā)射電子的光致發(fā)射表面，具有浮柵的MOSFET，以及包封所述光致發(fā)射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分透光的，使所述光能夠達(dá)到所述光致發(fā)射表面。-把所述浮柵充電到預(yù)選電位，-允許待測光影響所述光致發(fā)射表面，從而使電子從光致發(fā)射表面發(fā)射，引起所述浮柵的所述預(yù)選電位的改變，以及-在選定的時(shí)間之后寄存所述預(yù)選電位的改變，所述改變代表由所述光探測器接收的光的量。
10，根據(jù)權(quán)利要求9的探測方法，其中充電步驟是由在所述MOSFET的源電極和漏電極之間外加電壓預(yù)先形成的。
11，光探測方法包括以下步驟-提供光探測器，該光探測器包括能響應(yīng)被探測光子而發(fā)射電子的光致發(fā)射表面，具有浮柵的MOSFET，所述浮柵在其上具有電荷，以及包封所述光致發(fā)射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分是透光的，使所述光能達(dá)到所述光致發(fā)射表面，-允許待探測光影響所述光致發(fā)射表面，從而使電子從光致發(fā)射表面發(fā)射引起所述電荷的改變，以及-在選定時(shí)間之后寄存所述電荷的改變，所述改變代表由所述光探測器接收來的光量。
全文摘要
光探測器包括能發(fā)射光電子的光致發(fā)射表面,使用具有浮柵的MOSFET來探測光電子,在測量之前適當(dāng)給浮柵充電使光電子可引起浮柵電荷的改變,探測到的改變代表由探測器接收到的光量。
文檔編號H01L27/115GK1189922SQ96195181
公開日1998年8月5日 申請日期1996年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者蒂莫·歐卡里, 尤卡·克海蘭恩, 尤卡·哈思拉迪 申請人:拉多斯技術(shù)公司