基于CMOS工艺的双结深CTIA荧光传感器*

2014-04-04施朝霞朱大中

传感技术学报 2014年2期

施朝霞,朱大中

(1.浙江工业大学信息学院,光纤通信与信息工程研究所,杭州 310023;2.浙江大学信息学院微电子与光电子研究所,杭州 310013)

荧光是一种光致发光现象,荧光分析是利用被测样品的受激荧光参数对物质的特性进行定性或定量分析的方法,荧光分析的选择性强、灵敏度高,可应用于超敏生物检测,DNA测序,肿瘤细胞的检测和成像等领域[1-3]。

目前荧光检测中常用的检测系统是采用光路结构的检测系统,它包含激发光源、光栅、透镜、光电探测器、处理电路等。传统的检测方法光路上的损失对微弱的荧光影响大,光学仪器和光路需要足够高的灵敏度和精度来保证微弱荧光的有效监测[4],同时传统的荧光检测系统采用分立元件搭建,不能满足测试系统集成化、微型化、便携化的要求。

微电子技术的发展使得荧光检测系统朝着低功耗集成和微型化的方向发展成为可能,如基于MEMS工艺的微流控芯片的荧光检测系统[5];基于CCD荧光检测的DNA芯片[6];基于CMOS工艺的荧光传感器等[7]。其中基于CMOS工艺的荧光传感器可以将荧光传感单元与信号处理电路单片集成,提高检测灵敏度和使得测试系统微型化[8].

本文研究CMOS单片集成的荧光传感器,片上可集成光电传感阵列、CTIA有源像素放大电路阵列、信号处理电路。该传感器光敏结构采用低漏电流、高感光灵敏度的双结深PN结并联二极管[9],设计了适合于微弱荧光检测的高I/V转换灵敏度的CTIA有源像素电路,并进行了实验验证。

1　与CMOS工艺兼容双结深光电二极管的理论分析

1.1　双结深PN结光电二极管结构

光电二极管的设计主要是利用了半导体的光电效应,光在硅片中的穿透深度与光波长有关,浅PN结光电二极管对短波长光具有较高的灵敏度,深PN结光电二极管对长波长光具有较高的灵敏度[10]。CMOS工艺的单结深光电二极管结构可采用P+/Nwell、Nwell/Psub等结构,如图1(a)所示。本文提出了一种新型的双结深PN结光电二极管结构,如图1(b)所示,该双结深PN结光电二极管由浅结光电二极管P+/Nwell和深结光电二极管Nwell/Psub并联而成,其中P+和Psub并联构成双结深PN结的阳极,共用的Nwell构成双结深PN结的阴极。

图1　CMOS工艺兼容的PN结光电二极管

1.2　双结深PN结光电二极管光电响应模型

根据图1(b)给出的双结深光电二极管,光照在半导体表面,光子能量被半导体吸收,转化成电子-空穴对。将P+/Nwell/Psub光电管看成是两个PN结的并联,总的光生电流由4部分构成:(1)Nwell区内的耗尽层漂移电流Jdrift1;(2)Nwell底部的扩散电流Jdiff1;(3)Psub区内的耗尽层的漂移电流Jdrift2;(4)Psub底部的扩散电流Jdiff2。

假设外加电场全加在耗尽区上,外加电压为零,以硅片表面处为坐标原点,P+区宽度为X1,浅结P+/Nwell耗尽区宽度为Wn,Nwell区宽度为X2,深结Nwell/Psub耗尽区宽度为Wp。设光在介质中的传输系数为T,入射光光功率为Pin,则器件表面光通量为φ=TPinλ/hAc,由此得到距离半导体表面x处电子-空穴对的产生率为

g(x)=αφexp(-αx)

(1)

其中α是硅对入射光的吸收系数,λ是入射光的波长,h是普朗克常数,c是真空光速,A为光敏区的面积。

深浅结耗尽区漂移电流密度分别表示为

(2)

(3)

在稳态情况下,半导体中性区Nwell内少数载流子满足扩散方程:

(4)

其中Dp为Nwell中空穴扩散系数,τp为空穴寿命,Δp(x)为随x变化的非平衡载流子浓度。

(5)

同理可得半导体中性区Psub底部的扩散电流

(6)

根据以上推导可近似得到双结深PN光电二极管的光生电流密度表达式

(7)

光电传感器光电转换灵敏度为产生的光电流与吸收的光功率之比,则

(8)

2　光电二极管器件仿真及性能分析

标准CMOS工艺下3种寄生二极管光电器件,分别是Nwell/Psub光电二极管、P+/Nwell光电二极管和P+/Nwell/Psub光电二极管。根据上华0.5 μm CMOS工艺参数,结合前面理论推导公式,利用MATLAB对这4种器件进行光电转换灵敏度模拟,结果如图2所示。

图2　标准CMOS工艺参数下单双结光电二极管的灵敏度仿真结果

从图2中可以看出,P+/Nwell浅结光电二极管,峰值灵敏度为0.5 A/W@420nm;Nwell/Psub深结光电二极管,峰值灵敏度为0.34 A/W@510 nm;双结深P+/Nwell/Psub光电二极管峰值灵敏度为0.59 A/W@440 nm。仿真结果与理论相符,浅结的P+/Nwell光电二极管对短波吸收好,结深的Nwell/Psub光电二极管对长波吸收好,双结深P+/Nwell/Psub光电二极管的峰值波长居中。在灵敏度方面,由于双结深光电二极管结构是深浅结光电二极管的并联,在同等强度的激发光照射下,产生的光生电流为两者之和,因此可以得到更多的光电流。另根据仿真结果,采用双结深P+/Nwell/Psub光电二极管结构提高了光敏传感单元的灵敏度。

3　CTIA有源像素电路设计

3.1　3T有源像素和CTIA有源像素比较

光电二极管有源像素电路可以将光电流转换成电压输出[11],传统的3T有源像素电路如图3(a)所示,Reset信号高电平时,电路复位,电源对光电二极管结电容充电;Reset信号低电平时,光电流对光电二极管PN结自身结电容积分后转换成电压跟随输出,且

(9)

其中As为3T像素结构中源级跟随器的增益,Ipd为传感单元产生的光电流,Cpd为光电二极管本身的结电容。本文设计的CTIA(Capacitive Trans Impedance Amplifier)有源像素电路如图3(b)所示,Reset信号高电平时,电路复位,Reset信号低电平时,电路通过外加的反馈电容积分转换成电压输出,且

(10)

图3　光电二极管有源像素电路

图4　CTIA有源像素电路CDS电路结构图及工作时序波形

3.2　CTIA有源像素电路结构及时序

为了消除电路的固定模式噪声,光电传感有源像素电路采用相关二次采样差分后输出,CTIA有源像素电路加上相关二次采样控制开关后电路如图4(a)所示,相应的电路工作时序波形如图4(b)所示。该电路工作时分为3个阶段,分别是t1复位阶段、t2积分阶段和t3保持阶段。复位阶段,CTIA有源像素电路处于复位状态,选通开关Ksel导通,传输门T1,T2导通,Sout和Rout输出相同的复位电压值;积分阶段,CTIA有源像素电路随光照线性积分输出,选通开关Ksel导通,传输门T2导通,Sout跟随线性变化输出,此时传输门T1关断,Rout保持不变;保持阶段,传输门T2关断,Sout输出保持。后续差分电路将Rout和Sout相减即可得到输出电压随光照变化的曲线,同时可以消除电路的固定模式噪声。

4　测试结果与讨论

本设计采用上华0.5 μm标准CMOS工艺进行流片验证,芯片照片如图5(a)所示,片上集成了双结深16×4有源像素阵列,其中8×4为3T有源像素阵列,8×4为CTIA有源像素传感阵列,单个像素尺寸为100 μm×100 μm;同时片上还集成了数字控制时序电路、偏置电路、时钟产生电路、CDS电路、差分电路和缓冲输出电路,芯片整体结构示意图如图5(b)所示。

图5　光电传感芯片照片及整体结构示意图

图6　像素电压输出与光照强度关系曲线

3T和CTIA两种像素结构将光电流转换成电压。输出电压信号与光电管的光电流(光照强度)之间存在线性关系,当输出电压由于像素电路结构限制饱和后,输出信号将不随光电流的增加而增加。3T像素和CTIA像素输出电压与光照强度关系曲线如图6(a)、6(b)所示。3T像素输出在达到1.7 V后电路饱和,CTIA像素输出在达到4.2 V后电路饱和,CTIA像素结构具有更大的电压输出范围。3T像素结构和CTIA像素结构在暗光测试下的的灵敏度测试曲线如图7所示,测试时光照为6 lux,积分时间为310 μs,3T像素结构电压输出为79 mV,CTIA像素结构电压输出为4.17 V,经计算3T像素的光电转化灵敏度为42 V/(lux·s),而CTIA像素的灵敏度可以达到2 243 V/(lux·s)。

图7　灵敏度测试输出电压曲线(光照强度6 lux,积分时间310 μs)

5　结论

本文设计了基于0.5 μm标准CMOS工艺的光电二极管,根据理论分析和MATLAB仿真采用了双结深光电二极管结构,双结深光电二极管的峰值灵敏度为0.59 A/W@440 nm,分别设计了双结深光电二极管的3T和CITA有源像素电路,并进行了测试验证,单个像素尺寸为100 μm×100 μm,双结深的3T像素光电转换灵敏度为42 V/(lux·s),双结深的CTIA像素光电转换灵敏度为2 243 V/(lux·s)。因此双结深的CTIA光电传感电路对微弱的光具有更高的光电响应灵敏度,可以应用在环境、生物、医学荧光检测中。

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