施朝霞,朱大中

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

熒光是一種光致發(fā)光現(xiàn)象,熒光分析是利用被測(cè)樣品的受激熒光參數(shù)對(duì)物質(zhì)的特性進(jìn)行定性或定量分析的方法,熒光分析的選擇性強(qiáng)、靈敏度高,可應(yīng)用于超敏生物檢測(cè),DNA測(cè)序,腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)和成像等領(lǐng)域[1-3]。

目前熒光檢測(cè)中常用的檢測(cè)系統(tǒng)是采用光路結(jié)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng),它包含激發(fā)光源、光柵、透鏡、光電探測(cè)器、處理電路等。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法光路上的損失對(duì)微弱的熒光影響大,光學(xué)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(jiān)測(cè)[4],同時(shí)傳統(tǒng)的熒光檢測(cè)系統(tǒng)采用分立元件搭建,不能滿足測(cè)試系統(tǒng)集成化、微型化、便攜化的要求。

微電子技術(shù)的發(fā)展使得熒光檢測(cè)系統(tǒng)朝著低功耗集成和微型化的方向發(fā)展成為可能,如基于MEMS工藝的微流控芯片的熒光檢測(cè)系統(tǒng)[5];基于CCD熒光檢測(cè)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(hào)處理電路單片集成,提高檢測(cè)靈敏度和使得測(cè)試系統(tǒng)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(hào)處理電路。該傳感器光敏結(jié)構(gòu)采用低漏電流、高感光靈敏度的雙結(jié)深PN結(jié)并聯(lián)二極管[9],設(shè)計(jì)了適合于微弱熒光檢測(cè)的高I/V轉(zhuǎn)換靈敏度的CTIA有源像素電路,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　與CMOS工藝兼容雙結(jié)深光電二極管的理論分析

1.1　雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)

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[10]。CMOS工藝的單結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu)可采用P+/Nwell、Nwell/Psub等結(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。

圖1　CMOS工藝兼容的PN結(jié)光電二極管

1.2　雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管光電響應(yīng)模型

根據(jù)圖1(b)給出的雙結(jié)深光電二極管,光照在半導(dǎo)體表面,光子能量被半導(dǎo)體吸收,轉(zhuǎn)化成電子-空穴對(duì)。將P+/Nwell/Psub光電管看成是兩個(gè)PN結(jié)的并聯(lián),總的光生電流由4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。

假設(shè)外加電場(chǎng)全加在耗盡區(qū)上,外加電壓為零,以硅片表面處為坐標(biāo)原點(diǎn),P+區(qū)寬度為X1,淺結(jié)P+/Nwell耗盡區(qū)寬度為Wn,Nwell區(qū)寬度為X2,深結(jié)Nwell/Psub耗盡區(qū)寬度為Wp。設(shè)光在介質(zhì)中的傳輸系數(shù)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(dǎo)體表面x處電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率為

g(x)=αφexp(-αx)

(1)

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

深淺結(jié)耗盡區(qū)漂移電流密度分別表示為

(2)

(3)

在穩(wěn)態(tài)情況下,半導(dǎo)體中性區(qū)Nwell內(nèi)少數(shù)載流子滿足擴(kuò)散方程:

(4)

其中Dp為Nwell中空穴擴(kuò)散系數(shù),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(dǎo)體中性區(qū)Psub底部的擴(kuò)散電流

(6)

根據(jù)以上推導(dǎo)可近似得到雙結(jié)深PN光電二極管的光生電流密度表達(dá)式

(7)

光電傳感器光電轉(zhuǎn)換靈敏度為產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)上華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)這4種器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換靈敏度模擬,結(jié)果如圖2所示。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝參數(shù)下單雙結(jié)光電二極管的靈敏度仿真結(jié)果

從圖2中可以看出,P+/Nwell淺結(jié)光電二極管,峰值靈敏度為0.5 A/W@420nm;Nwell/Psub深結(jié)光電二極管,峰值靈敏度為0.34 A/W@510 nm;雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管峰值靈敏度為0.59 A/W@440 nm。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,結(jié)深的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。另根據(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靈敏度。

3　CTIA有源像素電路設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換成電壓輸出[11],傳統(tǒng)的3T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,電源對(duì)光電二極管結(jié)電容充電;Reset信號(hào)低電平時(shí),光電流對(duì)光電二極管PN結(jié)自身結(jié)電容積分后轉(zhuǎn)換成電壓跟隨輸出,且

(9)

其中As為3T像素結(jié)構(gòu)中源級(jí)跟隨器的增益,Ipd為傳感單元產(chǎn)生的光電流,Cpd為光電二極管本身的結(jié)電容。本文設(shè)計(jì)的CTIA(Capacitive Trans Impedance Amplifier)有源像素電路如圖3(b)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,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(jié)構(gòu)圖及工作時(shí)序波形

3.2　CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)及時(shí)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(guān)二次采樣差分后輸出,CTIA有源像素電路加上相關(guān)二次采樣控制開關(guān)后電路如圖4(a)所示,相應(yīng)的電路工作時(shí)序波形如圖4(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。

4　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5(a)所示,片上集成了雙結(jié)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(gè)像素尺寸為100 μm×100 μm;同時(shí)片上還集成了數(shù)字控制時(shí)序電路、偏置電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、CDS電路、差分電路和緩沖輸出電路,芯片整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(b)所示。

圖5　光電傳感芯片照片及整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　像素電壓輸出與光照強(qiáng)度關(guān)系曲線

3T和CTIA兩種像素結(jié)構(gòu)將光電流轉(zhuǎn)換成電壓。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像素和CTIA像素輸出電壓與光照強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6(a)、6(b)所示。3T像素輸出在達(dá)到1.7 V后電路飽和,CTIA像素輸出在達(dá)到4.2 V后電路飽和,CTIA像素結(jié)構(gòu)具有更大的電壓輸出范圍。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7所示,測(cè)試時(shí)光照為6 lux,積分時(shí)間為310 μs,3T像素結(jié)構(gòu)電壓輸出為79 mV,CTIA像素結(jié)構(gòu)電壓輸出為4.17 V,經(jīng)計(jì)算3T像素的光電轉(zhuǎn)化靈敏度為42 V/(lux·s),而CTIA像素的靈敏度可以達(dá)到2 243 V/(lux·s)。

圖7　靈敏度測(cè)試輸出電壓曲線(光照強(qiáng)度6 lux,積分時(shí)間310 μs)

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的光電二極管,根據(jù)理論分析和MATLAB仿真采用了雙結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu),雙結(jié)深光電二極管的峰值靈敏度為0.59 A/W@440 nm,分別設(shè)計(jì)了雙結(jié)深光電二極管的3T和CITA有源像素電路,并進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,單個(gè)像素尺寸為100 μm×100 μm,雙結(jié)深的3T像素光電轉(zhuǎn)換靈敏度為42 V/(lux·s),雙結(jié)深的CTIA像素光電轉(zhuǎn)換靈敏度為2 243 V/(lux·s)。因此雙結(jié)深的CTIA光電傳感電路對(duì)微弱的光具有更高的光電響應(yīng)靈敏度,可以應(yīng)用在環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)熒光檢測(cè)中。

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施朝霞(1981-),女,浙江工業(yè)大學(xué)講師,研究方向?yàn)镃MOS混合集成傳感設(shè)計(jì),shizx@zjut.edu.cn;

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