基于CMOS工藝的雙結深CTIA熒光傳感器*

施朝霞,朱大中

(1.浙江工業大學信息學院,光纖通信與信息工程研究所,杭州 310023;2.浙江大學信息學院微電子與光電子研究所,杭州 310013)

熒光是一種光致發光現象,熒光分析是利用被測樣品的受激熒光參數對物質的特性進行定性或定量分析的方法,熒光分析的選擇性強、靈敏度高,可應用于超敏生物檢測,DNA測序,腫瘤細胞的檢測和成像等領域[1-3]。

目前熒光檢測中常用的檢測系統是采用光路結構的檢測系統,它包含激發光源、光柵、透鏡、光電探測器、處理電路等。傳統的檢測方法光路上的損失對微弱的熒光影響大,光學儀器和光路需要足夠高的靈敏度和精度來保證微弱熒光的有效監測[4],同時傳統的熒光檢測系統采用分立元件搭建,不能滿足測試系統集成化、微型化、便攜化的要求。

微電子技術的發展使得熒光檢測系統朝著低功耗集成和微型化的方向發展成為可能,如基于MEMS工藝的微流控芯片的熒光檢測系統[5];基于CCD熒光檢測的DNA芯片[6];基于CMOS工藝的熒光傳感器等[7]。其中基于CMOS工藝的熒光傳感器可以將熒光傳感單元與信號處理電路單片集成,提高檢測靈敏度和使得測試系統微型化[8].

本文研究CMOS單片集成的熒光傳感器,片上可集成光電傳感陣列、CTIA有源像素放大電路陣列、信號處理電路。該傳感器光敏結構采用低漏電流、高感光靈敏度的雙結深PN結并聯二極管[9],設計了適合于微弱熒光檢測的高I/V轉換靈敏度的CTIA有源像素電路,并進行了實驗驗證。

1　與CMOS工藝兼容雙結深光電二極管的理論分析

1.1　雙結深PN結光電二極管結構

光電二極管的設計主要是利用了半導體的光電效應,光在硅片中的穿透深度與光波長有關,淺PN結光電二極管對短波長光具有較高的靈敏度,深PN結光電二極管對長波長光具有較高的靈敏度[10]。CMOS工藝的單結深光電二極管結構可采用P+/Nwell、Nwell/Psub等結構,如圖1(a)所示。本文提出了一種新型的雙結深PN結光電二極管結構,如圖1(b)所示,該雙結深PN結光電二極管由淺結光電二極管P+/Nwell和深結光電二極管Nwell/Psub并聯而成,其中P+和Psub并聯構成雙結深PN結的陽極,共用的Nwell構成雙結深PN結的陰極。

圖1　CMOS工藝兼容的PN結光電二極管

1.2　雙結深PN結光電二極管光電響應模型

根據圖1(b)給出的雙結深光電二極管,光照在半導體表面,光子能量被半導體吸收,轉化成電子-空穴對。將P+/Nwell/Psub光電管看成是兩個PN結的并聯,總的光生電流由4部分構成:(1)Nwell區內的耗盡層漂移電流Jdrift1;(2)Nwell底部的擴散電流Jdiff1;(3)Psub區內的耗盡層的漂移電流Jdrift2;(4)Psub底部的擴散電流Jdiff2。

假設外加電場全加在耗盡區上,外加電壓為零,以硅片表面處為坐標原點,P+區寬度為X1,淺結P+/Nwell耗盡區寬度為Wn,Nwell區寬度為X2,深結Nwell/Psub耗盡區寬度為Wp。設光在介質中的傳輸系數為T,入射光光功率為Pin,則器件表面光通量為φ=TPinλ/hAc,由此得到距離半導體表面x處電子-空穴對的產生率為

g(x)=αφexp(-αx)

(1)

其中α是硅對入射光的吸收系數,λ是入射光的波長,h是普朗克常數,c是真空光速,A為光敏區的面積。

深淺結耗盡區漂移電流密度分別表示為

(2)

(3)

在穩態情況下,半導體中性區Nwell內少數載流子滿足擴散方程:

(4)

其中Dp為Nwell中空穴擴散系數,τp為空穴壽命,Δp(x)為隨x變化的非平衡載流子濃度。

(5)

同理可得半導體中性區Psub底部的擴散電流

(6)

根據以上推導可近似得到雙結深PN光電二極管的光生電流密度表達式

(7)

光電傳感器光電轉換靈敏度為產生的光電流與吸收的光功率之比,則

(8)

2　光電二極管器件仿真及性能分析

標準CMOS工藝下3種寄生二極管光電器件,分別是Nwell/Psub光電二極管、P+/Nwell光電二極管和P+/Nwell/Psub光電二極管。根據上華0.5 μm CMOS工藝參數,結合前面理論推導公式,利用MATLAB對這4種器件進行光電轉換靈敏度模擬,結果如圖2所示。

圖2　標準CMOS工藝參數下單雙結光電二極管的靈敏度仿真結果

從圖2中可以看出,P+/Nwell淺結光電二極管,峰值靈敏度為0.5 A/W@420nm;Nwell/Psub深結光電二極管,峰值靈敏度為0.34 A/W@510 nm;雙結深P+/Nwell/Psub光電二極管峰值靈敏度為0.59 A/W@440 nm。仿真結果與理論相符,淺結的P+/Nwell光電二極管對短波吸收好,結深的Nwell/Psub光電二極管對長波吸收好,雙結深P+/Nwell/Psub光電二極管的峰值波長居中。在靈敏度方面,由于雙結深光電二極管結構是深淺結光電二極管的并聯,在同等強度的激發光照射下,產生的光生電流為兩者之和,因此可以得到更多的光電流。另根據仿真結果,采用雙結深P+/Nwell/Psub光電二極管結構提高了光敏傳感單元的靈敏度。

3　CTIA有源像素電路設計

3.1　3T有源像素和CTIA有源像素比較

光電二極管有源像素電路可以將光電流轉換成電壓輸出[11],傳統的3T有源像素電路如圖3(a)所示,Reset信號高電平時,電路復位,電源對光電二極管結電容充電;Reset信號低電平時,光電流對光電二極管PN結自身結電容積分后轉換成電壓跟隨輸出,且

(9)

其中As為3T像素結構中源級跟隨器的增益,Ipd為傳感單元產生的光電流,Cpd為光電二極管本身的結電容。本文設計的CTIA(Capacitive Trans Impedance Amplifier)有源像素電路如圖3(b)所示,Reset信號高電平時,電路復位,Reset信號低電平時,電路通過外加的反饋電容積分轉換成電壓輸出,且

(10)

圖3　光電二極管有源像素電路

圖4　CTIA有源像素電路CDS電路結構圖及工作時序波形

3.2　CTIA有源像素電路結構及時序

為了消除電路的固定模式噪聲,光電傳感有源像素電路采用相關二次采樣差分后輸出,CTIA有源像素電路加上相關二次采樣控制開關后電路如圖4(a)所示,相應的電路工作時序波形如圖4(b)所示。該電路工作時分為3個階段,分別是t1復位階段、t2積分階段和t3保持階段。復位階段,CTIA有源像素電路處于復位狀態,選通開關Ksel導通,傳輸門T1,T2導通,Sout和Rout輸出相同的復位電壓值;積分階段,CTIA有源像素電路隨光照線性積分輸出,選通開關Ksel導通,傳輸門T2導通,Sout跟隨線性變化輸出,此時傳輸門T1關斷,Rout保持不變;保持階段,傳輸門T2關斷,Sout輸出保持。后續差分電路將Rout和Sout相減即可得到輸出電壓隨光照變化的曲線,同時可以消除電路的固定模式噪聲。

4　測試結果與討論

本設計采用上華0.5 μm標準CMOS工藝進行流片驗證,芯片照片如圖5(a)所示,片上集成了雙結深16×4有源像素陣列,其中8×4為3T有源像素陣列,8×4為CTIA有源像素傳感陣列,單個像素尺寸為100 μm×100 μm;同時片上還集成了數字控制時序電路、偏置電路、時鐘產生電路、CDS電路、差分電路和緩沖輸出電路,芯片整體結構示意圖如圖5(b)所示。

圖5　光電傳感芯片照片及整體結構示意圖

圖6　像素電壓輸出與光照強度關系曲線

3T和CTIA兩種像素結構將光電流轉換成電壓。輸出電壓信號與光電管的光電流(光照強度)之間存在線性關系,當輸出電壓由于像素電路結構限制飽和后,輸出信號將不隨光電流的增加而增加。3T像素和CTIA像素輸出電壓與光照強度關系曲線如圖6(a)、6(b)所示。3T像素輸出在達到1.7 V后電路飽和,CTIA像素輸出在達到4.2 V后電路飽和,CTIA像素結構具有更大的電壓輸出范圍。3T像素結構和CTIA像素結構在暗光測試下的的靈敏度測試曲線如圖7所示,測試時光照為6 lux,積分時間為310 μs,3T像素結構電壓輸出為79 mV,CTIA像素結構電壓輸出為4.17 V,經計算3T像素的光電轉化靈敏度為42 V/(lux·s),而CTIA像素的靈敏度可以達到2 243 V/(lux·s)。

圖7　靈敏度測試輸出電壓曲線(光照強度6 lux,積分時間310 μs)

5　結論

本文設計了基于0.5 μm標準CMOS工藝的光電二極管,根據理論分析和MATLAB仿真采用了雙結深光電二極管結構,雙結深光電二極管的峰值靈敏度為0.59 A/W@440 nm,分別設計了雙結深光電二極管的3T和CITA有源像素電路,并進行了測試驗證,單個像素尺寸為100 μm×100 μm,雙結深的3T像素光電轉換靈敏度為42 V/(lux·s),雙結深的CTIA像素光電轉換靈敏度為2 243 V/(lux·s)。因此雙結深的CTIA光電傳感電路對微弱的光具有更高的光電響應靈敏度,可以應用在環境、生物、醫學熒光檢測中。

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施朝霞(1981-),女,浙江工業大學講師,研究方向為CMOS混合集成傳感設計,shizx@zjut.edu.cn;

朱大中(1945-),男,浙江大學教授,博士生導師,從事集成電子器件物理、集成傳感等方面研究,zhudz@zju.edu.cn。