一種新型集成熒光傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

施朝霞，曹全君，常麗萍

（浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院浙江省光纖通信技術(shù)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023）

0 引言

熒光檢測(cè)是目前生物化學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的超敏檢測(cè)技術(shù)。傳統(tǒng)的熒光檢測(cè)系統(tǒng)利用分立的光電倍增管或者雪崩二極管作為檢測(cè)傳感器，需要配合復(fù)雜的光路系統(tǒng)，不利于微弱熒光信號(hào)的檢測(cè)和檢測(cè)系統(tǒng)的微型化［1，2］。CMOS工藝兼容的光電傳感器由于其低成本、低功耗、與信號(hào)處理電路單片集成正逐漸取代傳統(tǒng)的檢測(cè)傳感器［3］。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種新型的集成熒光傳感器，熒光傳感單元采用了寬波長(zhǎng)響應(yīng)和更高光電轉(zhuǎn)換靈敏度的雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu);采用電容跨阻抗放大器（capacitive trans impedance amplifier，CTIA）有源像素電路替代了傳統(tǒng)的3T有源像素電路，具有更高的靈敏度和線性輸出范圍。該集成熒光傳感器結(jié)構(gòu)通過0.5μm CMOS工藝流片驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)表明:采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)對(duì)微弱的熒光信號(hào)具有更高的測(cè)試靈敏度。

1 雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管

光電二極管的設(shè)計(jì)主要是利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，光在硅片中的穿透深度與光波長(zhǎng)有關(guān)，淺PN結(jié)光電二極管對(duì)短波長(zhǎng)光具有較高的靈敏度，深PN結(jié)光電二極管對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)光具有較高的靈敏度［4］。基于CMOS工藝的單結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu)可采用 P+/Nwell，Nwell/Psub結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。本文提出了一種新型的雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示，該雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管由淺結(jié)光電二極管P+/Nwell和深結(jié)光電二極管Nwell/Psub并聯(lián)而成，其中P+和Psub并聯(lián)構(gòu)成雙結(jié)深PN結(jié)的陽極，共用的Nwell構(gòu)成雙結(jié)深PN結(jié)的陰極。

P+/Nwell/Psub光電管可看成是2個(gè)PN結(jié)的并聯(lián)，總的光生電流由四部分構(gòu)成:1）Nwell區(qū)內(nèi)的耗盡層漂移電流Jdrift1;2）Nwell底部的擴(kuò)散電流Jdiff1;3）Psub區(qū)內(nèi)的耗盡層的漂移電流Jdrift2;4）Psub底部的擴(kuò)散電流Jdiff2。可推導(dǎo)出雙結(jié)深PN光電二極管的光生電流密度表達(dá)式［5］

圖1 CMOS工藝兼容的PN結(jié)光電二極管Fig 1 PN junction photodiode compatible with CMOS process

其中，Φ為器件表面光通量，α為硅對(duì)入射光的吸收系數(shù)，X1為P+區(qū)寬度，Wn為淺結(jié) P+/Nwell耗盡區(qū)寬度，X2為Nwell區(qū)寬度，Wp為深結(jié)Nwell/P-sub耗盡區(qū)寬度，Dp為Nwell中空穴擴(kuò)散系數(shù)，Lp為空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度，Dn為P-sub中電子擴(kuò)散系數(shù)，Ln為電子擴(kuò)散長(zhǎng)度。

根據(jù)0.5 μm CMOS工藝參數(shù)，結(jié)合前面理論推導(dǎo)公式，利用Matlab對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的PN光電二極管器件進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換靈敏度數(shù)值模擬，PN結(jié)熒光單元光電流與入射光波長(zhǎng)的歸一化關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出:P+/Nwell淺結(jié)光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為350～1000 nm，在波長(zhǎng)420 nm處產(chǎn)生峰值光電流;Nwell/Psub深結(jié)光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為400～1 000 nm，在波長(zhǎng)600 nm處產(chǎn)生峰值光電流;雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為300～1000 nm，在波長(zhǎng)550 nm處產(chǎn)生峰值光電流。仿真結(jié)果與理論相符，淺結(jié)的P+/Nwell光電二極管對(duì)短波吸收好，深結(jié)的Nwell/Psub光電二極管對(duì)長(zhǎng)波吸收好，雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管的峰值波長(zhǎng)居中。在靈敏度方面，由于雙結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu)是深淺結(jié)光電二極管的并聯(lián)，在同等強(qiáng)度的激發(fā)光照射下，產(chǎn)生的光生電流為兩者之和，因此，可以得到更多的光電流。根據(jù)仿真結(jié)果，采用雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管結(jié)構(gòu)提高了光敏傳感單元的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍和靈敏度。

圖2 單雙結(jié)光電二極管光電流與入射波長(zhǎng)歸一化仿真結(jié)果Fig 2 Normalized simulation results for photo current and incident wavelength of single and double junction photodiodes

2 CTIA有源像素電路和CDS時(shí)序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的CTIA有源像素電路如圖3（a）所示，Reset信號(hào)高電平時(shí)，電路復(fù)位;Reset信號(hào)低電平時(shí)，電路通過外加的反饋電容積分轉(zhuǎn)換成電壓輸出。光電傳感的轉(zhuǎn)換靈敏度與電容呈反比，傳統(tǒng)3T有源像素電路中，光電二極管PN結(jié)自身結(jié)電容大（0.5 μm CMOS工藝傳感單元100 μm ×100 μm為800 fF左右），CTIA有源像素電路可以采用小電容（本文為10 fF），因此，3T有源像素電路不能滿足對(duì)微弱熒光信號(hào)的處理要求［6］。CTIA有源像素處理電路大大提高了對(duì)微弱熒光的靈敏度。另外，3T有源像素光電二極管兩端的反偏電壓高、暗電流大、工藝偏差造成的列偏置電流源引起的固定模式噪聲很難通過后續(xù)電路消除;CTIA有源像素電路可以通過運(yùn)放反饋環(huán)路為光電二極管提供很低的反偏電壓來降低暗電流，同時(shí)在積分階段光電二極管寄生電容上的電壓保持不變，保證了輸出的積分電壓具有更好的線性度。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(guān)二次采樣差分后輸出，相應(yīng)的電路工作時(shí)序波形如圖3（b）所示。該電路工作時(shí)分為3個(gè)階段，分別是t1復(fù)位階段、t2積分階段和t3保持階段。復(fù)位階段，CTIA有源像素電路處于復(fù)位狀態(tài)，選通開關(guān)Ksel導(dǎo)通，傳輸門T1，T2導(dǎo)通，Sout和Rout輸出相同的復(fù)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(guān)Ksel導(dǎo)通，傳輸門T2導(dǎo)通，Sout跟隨線性變化輸出，此時(shí)傳輸門T1關(guān)斷，Rout保持不變;保持階段，傳輸門T2關(guān)斷，Sout輸出保持。后續(xù)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(shí)可以消除電路的固定模式噪聲。

3 測(cè)試結(jié)果與討論

本設(shè)計(jì)采用上華0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，芯片照片如圖4所示，片上集成了雙結(jié)深3T有源像素陣列、CTIA有源像素傳感陣列、CDS電路、數(shù)字時(shí)序控制電路、差分輸出電路。

P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管波長(zhǎng)響應(yīng)測(cè)試曲線如圖5所示，實(shí)驗(yàn)中選取了405，532，633，808 nm的LED單色光作為光源，測(cè)試了不同入射波長(zhǎng)時(shí)光電二極管產(chǎn)生的光電流與同一入射波長(zhǎng)不同光照強(qiáng)度時(shí)的光電流輸出。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管在同一波長(zhǎng)時(shí)輸出光電流與光照強(qiáng)度呈正比，同時(shí)在波長(zhǎng)532 nm時(shí)具有最好的靈敏度，P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管在波長(zhǎng)405，532，633，808 nm時(shí)的靈敏度分別為1×10-9，2 ×10-8，3 ×10-10，2 ×10-10A·m2/W，與前面理論分析和仿真結(jié)果一致。

圖3 CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)圖與工作時(shí)序波形Fig 3 Architecture of CTIA active pixel circuits and working timing sequence waveform

圖4 光電傳感芯片照片F(xiàn)ig 4 Photo of photoelectric sensing chip

圖5 P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管波長(zhǎng)響應(yīng)測(cè)試Fig 5 Wavelength response test of P+/Nwell/Psub double-junction photodiode

實(shí)驗(yàn)測(cè)試比較了3T和CTIA 2種像素結(jié)構(gòu)輸出電壓與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，有源像素電路輸出電壓信號(hào)與光電管的光電流（光照強(qiáng)度）之間存在線性關(guān)系，當(dāng)輸出電壓由于像素電路結(jié)構(gòu)限制飽和后，輸出信號(hào)將不隨光電流的增加而增加。3T像素結(jié)構(gòu)和CTIA像素結(jié)構(gòu)在暗光測(cè)試下的的靈敏度測(cè)試曲線如圖6所示，測(cè)試時(shí)光照為6 lx，積分時(shí)間為310 μs，3T像素結(jié)構(gòu)電壓線性輸出范圍為79 mV，CTIA像素結(jié)構(gòu)電壓線性輸出范圍為4.17V，經(jīng)計(jì)算3T像素的光電轉(zhuǎn)換靈敏度為42 V/lx·s，而CTIA像素的靈敏度可以達(dá)到 2243 V/lx·s。

4 結(jié)論

圖6 光電靈敏度測(cè)試曲線Fig 6 Testing curve for photoelectric sensitivity

本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種新型的集成熒光傳感器，熒光傳感單元采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)，有源像素電路采用CTIA結(jié)構(gòu)，并通過0.5 μm CMOS工藝流片驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，P+/Nwell/Psub在波長(zhǎng)532 nm時(shí)具有最好的靈敏度2×10-8A·m2/W，3T像素結(jié)構(gòu)和CTIA像素結(jié)構(gòu)在光照為6 lx，積分時(shí)間為310 μs時(shí)的電壓線性輸出范圍分別為79 mV和4.17 V，經(jīng)計(jì)算3T像素的光電轉(zhuǎn)換靈敏度為42 V/lx·s，而CTIA像素的靈敏度可以達(dá)到2243 V/lx·s。該設(shè)計(jì)表明:采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管作為傳感單元和采用CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)的熒光傳感器對(duì)微弱的熒光信號(hào)具有更高的測(cè)試靈敏度和更寬的線性輸出范圍。

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