高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

谢 生，王雪飞，兰馗博，毛陆虹，董威锋，丛 佳，孙邵凡



高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

谢 生1，王雪飞1，兰馗博1，毛陆虹2，董威锋1，丛 佳2，孙邵凡1

(1. 天津大学微电子学院天津市成像与感知微电子技术重点实验室，天津 300072；2. 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

针对硅基光电探测响应度低的问题，设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD)．该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成，利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势，进而控制NMOS管的栅压和阈值电压，以此实现光信号的探测与倍增放大，故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围．经理论模拟计算和优化设计，本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD，选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm)，以增加光的吸收量，所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备．测试结果表明，所设计探测器在400～700nm波长范围内具有较好的响应度．采用630nm LED作为光源，当输出光功率密度opt＝5mW/cm2、漏源偏压DS＝0.4V时，NMOS-PD的响应度达到1550A/W，并实现了200kHz的信号探测．尽管随着光强增大，光电探测器响应度逐渐降低，但整体上仍超过103A/W．与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比，所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作，且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力，有望应用于弱光探测的图像传感领域．

光电探测器；响应度；弱光探测；CMOS工艺

随着CMOS图像传感器技术的飞速发展，其应用已从数码相机、摄像机、智能控制等传统强光领域扩展到生物荧光检测、疾病诊断及微弱天文信号观测等弱光探测领域[1-3]．然而，随着CMOS工艺节点的不断缩减，传统有源像素传感器中钳位二极管(pinned photo diode，PPD)的量子效率和噪声也会随之恶化[4]，而且由于PPD没有电荷放大机制，故不适合微弱光信号探测的应用．尽管基于CMOS工艺的埋沟电荷耦合器件(buried-channel charge coupled device，BCCD)[5]结合了CCD器件高灵敏度、低噪声和CMOS工艺低功耗、高集成度的优点，但仍然无法满足微弱光信号探测的需求．因此，研制与标准CMOS工艺兼容的高灵敏度、宽动态范围的光电探测器成为弱光探测领域亟待解决的问题之一．

目前，基于标准CMOS工艺的弱光探测器主要有单光子雪崩二极管(single photon avalanche diode，SPAD)和光电晶体管(photo transistor，PT)．虽然单光子雪崩二极管可以实现高速、高灵敏度探测[6-9]，但雪崩倍增过程需要高压，难以兼容CMOS读出电路.而光电晶体管虽然具有低压、低功耗的优点[10-11]，但在光照较弱时，其光电流增益和信噪比明显下降．最近，Jung等[12]提出一种栅体互连的PMOS型光电探测器克服了上述缺点，并取得了很好的结果．由于该探测器采用迁移率较低的空穴作为载流子，故响应度、动态范围和响应速度受到限制．此外，该结构采用N阱/P型衬底结作为感光二极管，也使其易受衬底噪声的干扰．

基于UMC 0.18μm 标准CMOS工艺，本文提出了一种栅体互连的NMOS型探测器结构．利用T阱/ N阱结探测入射光，并通过T阱感应电势控制N沟MOS管的栅压和阈值电压，从而实现光信号的探测与倍增放大．与PMOS型探测器相比，本文设计的探测器具有更高的响应度和更宽的动态范围．此外，利用N阱将NMOS型探测器与读出电路隔离，避免了相互干扰．

1  理论分析与器件设计

图1所示为本文设计的NMOS型光电探测器的剖面图和电路模型图，其与课题组前期设计的UV/blue探测器结构类似[13]．综合考虑探测器的响应速度和感光范围，以及工艺提供的结区，本文设计探测器的光敏二极管由T阱/N阱结实现，且T-well与NMOS管的栅极相连，并保持浮置，使二者具有相同电势．

探测器工作时，N阱接电源电压DD，NMOS管源端和P型衬底接最低电位GND，而NMOS管漏端接电压D，作为光响应电流的输出端．

当入射光辐照探测器时，其在光照窗口下的T阱/N阱结附近吸收，并产生光生电子-空穴对．在内建电场作用下，耗尽区及T阱扩散长度内的光生电子被扫进N阱，而空穴则在T阱底部积累，使T阱电势T-well随光照强度而升高．因T阱与多晶硅栅相连，故阱电势T-well可调节NMOS管的阈值电压th和栅源电压GS，进而随光强变化控制NMOS管的工作状态(截止、亚阈值及饱和)[14].

当入射光为微弱信号时，T阱感应电势T-well较低，故探测器工作在亚阈值区，其光响应电流随光强指数增加[14]，即

式中：n＝(/)nOX是MOS管的增益因子，和分别为MOS管的栅长和栅宽，n表示电子迁移率；OX表示单位面积的栅氧电容；d为耗尽层电容，T＝/为热电压；＝(1＋d/OX)反映了栅与硅表面之间的电容耦合．

随着光强增加，T-well逐渐使探测器进入饱和区，此时光响应电流为

式中m为沿沟道方向的体电荷变化因子．由于强光时的响应度受到抑制，故本文设计的探测器不仅可实现微弱光信号探测，而且具有响应度自调节能力，有效地扩展了器件工作的动态范围．

利用UMC 0.18μm CMOS工艺的T阱层和N阱层，本文优化设计了探测器版图．为了提高实际器件的灵敏度，本文将探测器的感光面扩展到多晶硅栅外的T阱区，设计感光面积为16μm×16μm，而探测器整体面积为20μm×20μm．为防止光敏窗口被互连金属遮蔽，版图设计时在其上方增加了CAD_DK层．另外，为了性能对比，同时也设计了相同结构参数的PMOS型探测器．

2 测试与分析

设计探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备，芯片显微照片如图2中虚线方框所示．为了方便测试，将芯片压焊在如图3所示的PCB测试板上，其上分别设计了N阱供电端口、漏偏置端口和地端口，以及光电探测器的SMA输出端口．为了更好地控制探测器工作，在其输入端口加入零欧姆的开关电阻，并在供电导线上增加旁路去耦电容．此外，为降低光反射，绑线芯片未使用聚酰亚胺保护．

图2  NMOS型探测器芯片显微照片

采用卓立汉光Omni-λ 300光谱仪和Stanford SR830锁相放大器搭建了光谱测试系统，对NMOS型探测器的光谱响应进行了测试．将测得的光电流对各输出波长的光功率进行归一化，得到如图4所示的响应度．其中，光波长范围为400～800nm，漏源电压DS＝0.3V，DD＝1.8V．由图4可知，NMOS型探测器在400～700nm波长范围内具有较好的响应，且响应峰值分别位于495nm和580nm．

图3  NMOS型探测器的PCB测试板

因NMOS型探测器的T阱/N阱结和N阱/P型衬底结的深度不同，典型值分别为1.2μm和1.8μm，故对不同光波长的响应度各异．根据入射光在硅中的吸收系数推断，T阱/N阱结和N阱/P型衬底结分别对应于495nm和580nm的峰值响应．此外，本文也测试了DS＝0.6V和0.9V时的响应度．结果表明，响应度与DS关系不大．这是因为DS＞0.3V后，NMOS管进入饱和区，输出电流不再受漏源电压调制．图5所示为NMOS型光电探测器的光电流响应曲线．其中，测试光源采用CREE XLampMC-E红光LED(峰值波长630nm附近，半高全宽约15nm)，输出光功率和光响应电流分别由Thorlabs PM100D功率计和Keithley 4200-SCS半导体参数测试仪获得．需要说明的是，在光功率相关的计算中，假设光场强度处处相等．由图5可见，NMOS型探测器具有MOS管的输出特性．当漏源电压DS较小时，MOS管处于线性区，光响应电流随DS近似线性增长；当DS达到0.3V左右时，MOS管接近饱和区，此时光电流几乎不再随DS增加，这与理论分析和响应度的测试结果是一致的．另外，因阱感应电势T-well受光强调制，故输出电流随光强增大而增加．此外，图中DS的进一步增加使输出光电流显著增大，这可能与深亚微米MOS管的漏致势垒降低效应有关[14]．

将光电流与暗电流之差除以辐射光功率，即可得到探测器在不同光强下的直流响应度，如表1所示．为了分析比较，表中也给出了同芯片设计的PMOS型探测器．由表1可见，本文设计的探测器结构具有很高的直流响应度，能够实现微弱光信号的探测放大，且响应度随光强的增大而减小，具有自动调节能力．由于电子的漂移速度更快，故NMOS型探测器的载流子收集效率更高，其响应度明显优于PMOS型探测器．

图4  NMOS型探测器的响应度

图5  NMOS型探测器输出特性

表1  栅体互连光电探测器的响应度比较

Tab.1 Responsivitycomparison between NMOS-PD and PMOS-PD

为了表征所设计探测器的瞬态特性，利用Tektronix AFG3022B信号发生器发出电脉冲信号直接调制CREE XLampMC-E红光LED的驱动电流，并将光脉冲信号照射待测探测器芯片，最后通过RIGOL DS6104示波器显示输出的光电流信号．图6给出了不同调制频率下探测器的输出信号.其中，LED光源的输出光功率密度opt＝36mW/cm2.由图6可见，探测器输出光电流较好地还原了输入信号，响应频率可达200kHz，满足图像传感器的要求．当调制频率超过300kHz后，受探测器带宽限制，光电流信号波形严重失真．此外，随着调制频率的增加，探测器的输出光电流幅度降低．造成这种现象的可能原因：①因示波器与探测器串联，其分压电阻较大，影响NMOS探测器的饱和工作状态，故电流较小；②随着调制频率增加，探测器的大电容使得光电流难以随输入光信号快速变化，故输出幅度随频率 滚降．

图6  NMOS型探测器的瞬态特性

表2总结了本文设计探测的性能参数，并与基于标准的CMOS工艺的其他探测器进行了对比．由表2可知，本文设计的探测器在响应度和功耗方面具有明显优势．

表2  基于CMOS工艺的探测器性能对比

Tab.2 Performance comparison of photodetector based on CMOS technology

3  结 语

基于光生伏特效应和MOS管放大原理，提出一种与标准CMOS工艺完全兼容的NMOS型栅体互连光电探测器，并通过UMC 0.18mm CMOS工艺实际流片制造．测试结果表明，本文所设计探测器芯片在400～700nm光波段内具有良好的直流响应度.对于630nm的LED光源，所设计探测器在5mW/cm2时的响应度可达1550A/W，并实现了200kHz的光信号探测．虽然工作频率相对较低，但基本满足CMOS图像传感器的速度要求，有效证明了设计思路的合理性．因此，本文设计探测器有望应用于生物荧光检测、疾病诊断等弱光探测领域．

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NMOS-Type Gate/Body-Tied Photodetector with High Responsivity

Xie Sheng1，Wang Xuefei1，Lan Kuibo1，Mao Luhong2，Dong Weifeng1，Cong Jia2，Sun Shaofan1

(1. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology，School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Electrical and Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

This study aims to design a novel N-channel metal oxide semiconductor transistor-type photodetector (NMOS-PD)with high responsivity for ultra-weak light detection based on standard CMOS technology to improve the responsivity of photodetectors in optoelectronic integrated circuits. NMOS-PD comprises a gate/body-tied NMOS transistor and photodiode formed by a T-well/N-well junction. The photovoltage induced by the photodiode controls the gate and threshold voltages of the NMOS transistor，thereby improving the sensitivity of NMOS-PD. After simulation calculation and optimization，a total area of 20μm×20μm was adopted for the NMOS-PD. Moreover，the whole T-well region was selected as the photosensitive area(16μm×16μm)to increase light absorption. The designed NMOS-PD was fabricated in UMC 0.18μm CMOS technology. Results showed that the output characteristics of NMOS-PD were as similar to that of the NMOS transistor，and the designed NMOS-PD demonstrated a good spectral response between 400 and 700nm. When the device was biased by a drain voltage of 0.4V and illuminated by a 630nm LED source with an average output power density of 5mW/cm2，a responsivity of 1550A/W was obtained. The device could normally operate up to 200kHz. Although the responsivity gradually decreased as the light intensity was enhanced，it still exceeded 103A/W. In comparison with traditional silicon photodetectors fabricated in standard CMOS，the designed NMOS-PD could operate properly under low voltage with low power consumption and exhibited high multiplying amplification capability under weak light conditions. Therefore，the proposed NMOS-PD has potential applications in the field of ultra-weak light imaging detection.

photoelectric device；responsivity；weak light detection；CMOS technology

TN364.1；TN386.6

A

0493-2137(2019)08-0788-05

10.11784/tdxbz201802014

2018-02-06；

2018-08-06．

谢 生（1978—  ），男，博士，副教授.

谢 生，xie_sheng06@tju.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(11673019)；集成光电子学国家重点实验室开放课题资助项目(IOSKL2017KF07).

the National Natural Science Foudation of China(No.11673019)，the Integrated Optoelectronics State Key Laboratory of Open Topics(No.IOSKL2017KF07).

(责任编辑：王晓燕)