512×512元帧转移EMCCD图像传感器

白雪平，郑 渝，李 金，刘 芳，陈于伟，汪朝敏



512×512元帧转移EMCCD图像传感器

白雪平，郑 渝，李 金，刘 芳，陈于伟，汪朝敏

（中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060）

采用埋沟、三层多晶硅、两次金属工艺，研制出正照EMCCD器件。器件的像元尺寸16mm×16mm。器件在－20℃下工作，读出频率10MHz，倍增增益可达1000倍以上，探测灵敏度5×10－4lx。

EMCCD；帧转移；倍增增益；探测灵敏度

0 引言

EMCCD是20世纪90年代后发展起来的一种微光成像器件，该器件配有特殊的读出寄存器——倍增寄存器，它对经过倍增寄存器的信号电荷包进行放大，确保读出噪声不再限制微光探测[1]。EMCCD技术又称为“片上增益”技术，可实现增益达1000倍以上，是一种新的微弱光信号增强探测技术。

本文介绍了中国电科四十四所研制的512×512元帧转移EMCCD的结构、工艺及器件性能，该器件可用于微光成像探测。

1 基本工作原理

EMCCD和普通CCD不同之处是在水平寄存器和读出放大器之间增加一串倍增寄存器，倍增寄存器利用碰撞电离效应实现对信号电子的倍增放大[2]，信号电子在到达读出放大器前得到倍增放大，使得放大器读出噪声不再是限制CCD成像灵敏度的重要噪声源。

帧转移EMCCD结构如图1所示。包括光敏区、存储区、水平寄存器、倍增寄存器和读出放大器。

图1 帧转移EMCCD结构示意图

倍增寄存器电极结构如图2所示。1、3由标准幅值时钟驱动（约10V），dc为直流相（约2V），2为倍增相，所加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多（约30～40V），2和dc之间大的电压差产生巨大的电场强度（约105V/cm量级）足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”，产生新的电子，即所谓的倍增或增益[3]。增益大小取决于电离率在倍增区内的积分，由下式表示：

式中：()为单级倍增增益，为倍增电场宽度，如图3所示；(x)为离化率，受电场影响，由下式表示：

式中：A、b为经验值。

图2 倍增寄存器电极结构示意图

图3 电子倍增过程示意图

从公式(1)、(2)看出，电离率取决于电场大小，电场大小取决于倍增电压。倍增电压越大，电场越强，增益越大。由于晶格散射作用影响，对于给定的电场，电离率随温度增加而减少。因此增益还受温度影响，温度越低，增益越大[3]。电离率的温度特性取决于电子平均自由程的温度特性，温度越低，电子平均自由程越长，电离率越大。由于影响因素较多，如禁带宽度、载流子有效质量等，增益和温度的关系复杂，很难用公式表示[4]。Peter Seitz等在文献中给出了EMCCD单级增益和温度的经验公式[5]：

式中：为电荷包经过单级倍增后的离化率；为时间的函数（比如由栅介质电荷引起的增益随时间的退化）；为温度；D为倍增相2高电平和直流相dc电平的差值；、为经验常数。

一般EMCCD单级增益（1＋）很小，在1.01～1.015之间，经过多级倍增后，总增益会变得非常可观，有下式：

式中：为倍增级数。倍增级数设计一般在400～600之间，总增益可达上千倍。

公式(3)、(4)给出了增益与温度、倍增电压的关系。温度越高，增益越小；D越大，增益越大。一般通过调节2高电平来调节增益。

对Si基IMPATT二极管而言，雪崩响应时间很短，小于1×10－13s。雪崩增益越低，建立雪崩过程的时间越短[3]。因此对EMCCD来说，单级增益远小于IMPATT二极管的雪崩增益，因此EMCCD单级倍增延迟远小于1×10－13s，相对于电子的漂移扩散时间，基本可以忽略不计，因此电子倍增基本不影响EMCCD转移频率。

由于电子倍增过程是一个随机过程，具有起伏特性，所以EMCCD在对信号电子倍增放大的同时，引入了额外的噪声源——噪声因子，根据Robbins和Hadwen的噪声因子公式[6]：

由公式(5)可以看出，在倍增级数已定的情况下，随着增益G的增大，噪声因子趋于21/2，如图4所示。

不考虑时钟感生电荷对信噪比影响，EMCCD信噪比公式[7]：

式中：为信号量；为总噪声；D为暗信号噪声；R为放大器噪声。因此，EMCCD等效噪声为：

一般所说的EMCCD噪声是等效噪声，从公式中看出，EMCCD可以通过倍增产生的增益抑制放大器噪声在总噪声中的比重，使得放大器读出噪声可以忽略不计。EMCCD正是利用这一优势提高信噪比，在信号电子低于放大器噪声电子数的时候同样可以被检测到。同时EMCCD倍增过程产生的噪声因子放大了光子散粒噪声和暗电流噪声，为了提高微光探测灵敏度，利用制冷将暗电流降低到可以忽略不计的程度，从而达到极限信噪比为(/2)1/2（为信号量），也就是所谓的量子效率折半[7]。

2 器件结构设计

器件整体结构如图5所示。采用帧转移结构，光敏区512×512有效像元，左右各12位暗像元，上下各8行暗像元，像元尺寸16mm×16mm，存储区536×528位，水平寄存器536位，倍增寄存器536位。放大器采用两级源跟随放大器。

图5 512×512元帧转移EMCCD结构示意图

像元结构如图6所示，采用两相转移，MPP模式。存储区结构和光敏区结构相同，采用两相转移。水平区采用三相结构。

倍增寄存器为了和水平转移时序保持一致，设计了三相转移结构，如图2所示，4个电极1、dc、2、3。其中1、3与水平区共用，dc为直流相，2为倍增相。

图6 像元结构示意图

倍增寄存器每个转移单元相当于一个倍增单元，通过很多级倍增后，总增益可达上千倍。

倍增寄存器结构设计时重点考虑以下3个方面：

1）倍增级数设计。根据EMCCD增益公式＝(1＋)，为单级增益，为倍增级数，为了保证行转移时序的一致性并实现1000倍增益的设计目标，设计了536级倍增寄存器。当电压调节精度达到1×10－4V量级时，总增益在1～1000范围内逐倍可调。

2）直流相设计。倍增寄存器设计直流相是为了在电子倍增前形成稳定的电场，稳定的电场是保证倍增稳定的必要条件[8]。当1下降沿到来的时候，电荷包经过直流相，到达高压电场，发生倍增。

3）电荷容量设计。依据埋沟电势理论，栅压越高，电荷包越容易到达埋沟表面[9]。倍增相电压远高于普通CCD水平驱动电压，电荷包更容易到达埋沟表面。倍增寄存器设计时着重考虑电荷容量，设计倍增寄存器电荷容量800ke－。

器件整体版图结构如下图7所示。

图7 器件版图

3 器件制作

器件采用6英寸硅片、最小特征尺寸0.5mm工艺制作，衬底采用电阻率28～32Ω×cm的P型硅。采用三次多晶硅和两次铝，第一次铝用作电极，第二次铝用作挡光。器件有源区包括536×528元像素，像元尺寸为16mm×16mm，芯片尺寸为11.2mm×18.7mm，如图8所示为制作的芯片。图9为采用带有两级半导体制冷器的陶瓷制冷封装管壳封装的器件样品，为有效散热，采用金属底座。

图8 512×512元帧转移EMCCD芯片

图9 EMCCD制冷封装器件样品

4 器件性能

器件增益与倍增相电压的关系如图10所示，增益随倍增电压增加而增大，可达1000倍以上，在1～1000范围内逐倍可调。

图10 增益与倍增相电压的关系（温度：－20℃）

图11为器件在暗室环境下不同倍增率的成像效果。靶标照度4.2×10－4lx，倍增率分别是1、100、200、500，信噪比分别是1.2:1、1.9:1、5.6:1、11.9:1。

图12是实验室环境下拍摄的微光成像照片。环境照度7.8×10－4lx，距离2m。

器件性能指标如表1所示。

5 结论

采用埋沟、三层多晶硅、两次金属工艺，研制出EMCCD器件，读出噪声降低到一个电子以下，灵敏度达5×10－4lx以下。目前正在进行背照工艺开发，将进一步提高器件的量子效率，提高EMCCD器件的微光成像灵敏度。

图11 EMCCD靶标成像效果（增益：左上：1，右上：100，左下：200，右下：500）

图12 EMCCD实验室环境成像效果（倍增率依次是1、100、200、500）

表1 器件性能指标

[1] Jerram P, Pool P J, Bell R, et al. The LLCCD: low-light imaging without the need for an intensifier[J]., 2001, 4306: 178-186.

[2] Sudhir K. MADAN, BASABI BHAUMIK. Experimental Observation of Avalanche Multiplication in Charge-Coupled Devices[J]., 1983, 30(6): 694-699.

[3] 施敏. 半导体器件物理[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2008: 79-87.

SHI Min.[M]. Xi’an: Press of Xi’an Jiao Tong University, 2008: 79-87.

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[5] Seitz P. Theuwissen A. Single-Photon Imaging[J]., 2011, 24(1): 3024-3026.

[6] Robbins M S, Hadwen B J. The noise performance of electron multiplying charge-coupled devices[J]., 2003, 50(5): 1227-1232.

[7] ZHANG Wenwen, CHEN Qian. Signal-to-Noise Ratio Performance Comparison of Electron Multiplying CCD and Intensified CCD Detectors[C]//, 2009: 337-341.

[8] Robbins M S. Determining the multiplication of EMCCD sensor: US, US8054363[P]. 2011.

[9] James R. Janesick.[M]. USA: SPIE Press, 2001: 70-78.

A Frame Transfer EMCCD Image Sensor with 512×512 Pixels

BAI Xueping，ZHENG Yu，LI Jin，LIU Fang，CHEN Yuwei，WANG Chaomin

(44,400060,)

By using burried channel, triple-layer polysilicon, double-layer metal process, a frame transfer EMCCD image sensor with 512×512 pixels has been successfully developed in domestic for the first time. The pixel size is 16mm×16mm. At －20℃ and pixel readout frequency of 10MHz , the gain of 1000 can be achieved, and detection sensitivity reaches 5×10－4lx.

EMCCD，frame transfer，multiplication，sensitivity

TP212

A

1001-8891(2016)04-0300-05

2015-06-23；

2016-04-13.

白雪平（1982-），女，工程师，主要研究方向是CCD器件设计。