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。這種裝置的基本結構是包含光敏陰極和電子倍增結構的真空管，用高電壓對系統加電場，待測光子轟擊光電陰極，通過光致發射過程釋放光電子。電子倍增器由一系列被稱作倍增電極的二次發射電極(一般6-16個)構成，這種排列能夠提升電位。從陰極來的光電子射向第一個倍增電極，在這里產生幾個二次電子，然后，這些二次電子再射向下一個倍增電極，在這里二次發射再重復發生，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，使得在電學上可以處理。光電倍增管的缺點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雜化。
另一種光探測器是各種半導體光探測器，例如光電二極管，光電三極管，和電荷耦合器件(CCD)。它們的共同點是光被用來影響半導體材料，在材料中產生電荷載流子(電子和空穴)，這些載流子被收集產生電信號。半導體探測器的問題是載流子必須在半導體材料體中移動，在體內，熱能產生高的背景噪聲。
本發明公開一種新型光探測器，本探測器價廉，靈敏，且易于構成。它包含一個空腔，此空腔含有能通過響應光電子的光電效應而釋放電子(光電子)的光致發射表面。本發明的特征是光電子由具有浮柵的金屬-氧化物-半導體類型的場效應晶體管(MOSFET)探測。測量之前，柵適當地充電。光電子發射引起柵電荷改變，這種改變就代表由探測器接收到光的量。
按照一種實施方式，光電發射表面不附于柵上，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。
按照另一種實施方式，光致發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電。釋放的光電子收集到一個分開的陽極電極，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。
本發明的特征是從響應光電子光電效應的光致發射表面釋放的電子(光電子)，允許用來影響MOSFET(金屬-氧化物-半導體類型的場效應晶體管)浮柵的表面。本發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。
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隧道技術來完成初始充電。
通過測量MOSFET源漏溝道的導電性，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
概略示出本發明的實施方式。
附圖概略地示出涉及本發明的光探測器的一種實施方式。應當注意，圖中的各種部件未按比例示出。光致發射表面20，通過光電效應吸收光電子并釋放電子(常稱作光電子)。光電發射材料是預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器件有三個電極，源11，漏12，和柵13。根據本發明，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，正電荷預先在柵13上形成。這導致通過柵絕緣層14構成的氧化層發生FN隧道現象使浮柵13上的電位設置成所需電荷。
熟知，具有浮柵的MOSFET的電荷保持特性是非常優良的，所以，它們很適合構成不揮發存儲器，既包括數字式也包括模擬式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的表面上有一個未覆蓋的區域或一個被導體，半導體或薄的絕緣體覆蓋的區域。絕緣體的厚度可不超過，例如1mm，仍使電子可通過它達到實際的柵上。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，已預先形成孔17，光電子可以由此直接地到達柵13的表面。當轟擊柵13的時候，光電子在其上中和正電荷而引起柵13的電位降低。所以，在所選時間間隔內，電位的減少量就代表在那個間隔內的由光探測器接收的光的量。
為正確地工作，光致發射表面20和MOSFET 10都被封入封閉的真空管殼21內。管殼21有一個透明部分22，例如玻璃。通過它光子能夠達到光發射表面20，圖中示出了一個很有用的結構，光致發射表面20被作在透明部分22的內表面上。光致發射表面20連接到殼21的金屬壁。顯然，光致發射表面也可以適當地深入殼的內腔。
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的源漏溝道的電導率來決定。例如，利用在源11和漏12之間引入一個合適的電壓且測量得到的源-漏電流來測量電導率。換言之，被選定時間間隔內探測的光量，可以用探測間隔之后的源漏電流與柵全充電時的初始值進行比較來決定。
相應地，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利用導體26和27連接到裝于殼21壁的接頭28和29。
按照發明的另一種實施方式(附圖中未表示)，光致發射表面直接加工在柵上，在這種情況下，測量之前柵充負電，發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，為增強和最佳化光電子收集，自然可以在光致發射表面和浮柵(示于圖中)之間，或光致發射表面和陽極之間(圖中未示出)提供附加電位。
權利要求
1，光探測器包括-能響應被探測光子而發射電子的光致發射表面。-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射能引起所述電荷的改變，以及-包封所述光發射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分透光的，使所述光可以達到所述光致發射表面。
2，根據權利要求1的光探測器，其中所述光致發射表面不與所述浮柵和所述正電荷接觸。
3，根據權利要求1的光探測器，其中所述光致發射表面與所述浮柵接觸，所述電荷為負。
4，根據權利要求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-能夠響應被探測光子而發射電子的光致發射表面。-具有不與所述光電子發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，使所述光可以達到所述光致發射表面。
6，根據權利要求5的光探測器，其中所述光致發射表面是加工在所述外殼的所述透明部分的內表面上。
7，光探測器包括-能夠響應被探測光子而發射電子的光致發射表面，-具有與所述光致發射表面接觸的浮柵的MOSFET，所述浮柵備有負電荷，以及-包封所述光致發射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分是透光的，以使所述光可以達到所述光致發射表面。
8，根據權利要求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被探測光子而發射電子的光致發射表面，具有浮柵的MOSFET，以及包封所述光致發射表面和所述MOSFET的外殼，至少所述外殼的一部分透光的，使所述光能夠達到所述光致發射表面。-把所述浮柵充電到預選電位，-允許待測光影響所述光致發射表面，從而使電子從光致發射表面發射，引起所述浮柵的所述預選電位的改變，以及-在選定的時間之后寄存所述預選電位的改變，所述改變代表由所述光探測器接收的光的量。
10，根據權利要求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被探測光子而發射電子的光致發射表面，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，使所述光能達到所述光致發射表面，-允許待探測光影響所述光致發射表面，從而使電子從光致發射表面發射引起所述電荷的改變，以及-在選定時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
光探測器包括能發射光電子的光致發射表面,使用具有浮柵的MOSFET來探測光電子,在測量之前適當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 優先權日1995年6月30日
發明者蒂莫·歐卡里, 尤卡·克海蘭恩, 尤卡·哈思拉迪 申請人:拉多斯技術公司