謝?生，王雪飛，蘭馗博，毛陸虹，董威鋒，叢?佳，孫邵凡

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高響應(yīng)度的NMOS型柵體互連光電探測器

謝?生1，王雪飛1，蘭馗博1，毛陸虹2，董威鋒1，叢?佳2，孫邵凡1

(1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院天津市成像與感知微電子技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

針對硅基光電探測響應(yīng)度低的問題，設(shè)計了一款與標準CMOS工藝兼容的、可用于弱光探測的高響應(yīng)度的NMOS型光電探測器(NMOS-PD)．該探測器由柵體互連的NMOS管和T-well/N-well結(jié)光電二極管構(gòu)成，利用光電二極管的光生伏特效應(yīng)改變T阱電勢，進而控制NMOS管的柵壓和閾值電壓，以此實現(xiàn)光信號的探測與倍增放大，故所設(shè)計光電探測器具有更高的光電流增益和更寬的動態(tài)范圍．經(jīng)理論模擬計算和優(yōu)化設(shè)計，本文設(shè)計了總面積為20μm×20μm的NMOS-PD，選用整個T阱區(qū)作為光敏區(qū)域(16μm×16μm)，以增加光的吸收量，所設(shè)計光電探測器經(jīng)UMC 0.18μm CMOS工藝流片制備．測試結(jié)果表明，所設(shè)計探測器在400～700nm波長范圍內(nèi)具有較好的響應(yīng)度．采用630nm LED作為光源，當輸出光功率密度opt＝5mW/cm2、漏源偏壓DS＝0.4V時，NMOS-PD的響應(yīng)度達到1550A/W，并實現(xiàn)了200kHz的信號探測．盡管隨著光強增大，光電探測器響應(yīng)度逐漸降低，但整體上仍超過103A/W．與硅基CMOS工藝制備的傳統(tǒng)光電探測器相比，所設(shè)計光電探測器結(jié)構(gòu)不僅可在低壓、低功耗下正常工作，且在弱光條件下具有極高的倍增放大能力，有望應(yīng)用于弱光探測的圖像傳感領(lǐng)域．

光電探測器；響應(yīng)度；弱光探測；CMOS工藝

隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用已從數(shù)碼相機、攝像機、智能控制等傳統(tǒng)強光領(lǐng)域擴展到生物熒光檢測、疾病診斷及微弱天文信號觀測等弱光探測領(lǐng)域[1-3]．然而，隨著CMOS工藝節(jié)點的不斷縮減，傳統(tǒng)有源像素傳感器中鉗位二極管(pinned photo diode，PPD)的量子效率和噪聲也會隨之惡化[4]，而且由于PPD沒有電荷放大機制，故不適合微弱光信號探測的應(yīng)用．盡管基于CMOS工藝的埋溝電荷耦合器件(buried-channel charge coupled device，BCCD)[5]結(jié)合了CCD器件高靈敏度、低噪聲和CMOS工藝低功耗、高集成度的優(yōu)點，但仍然無法滿足微弱光信號探測的需求．因此，研制與標準CMOS工藝兼容的高靈敏度、寬動態(tài)范圍的光電探測器成為弱光探測領(lǐng)域亟待解決的問題之一．

目前，基于標準CMOS工藝的弱光探測器主要有單光子雪崩二極管(single photon avalanche diode，SPAD)和光電晶體管(photo transistor，PT)．雖然單光子雪崩二極管可以實現(xiàn)高速、高靈敏度探測[6-9]，但雪崩倍增過程需要高壓，難以兼容CMOS讀出電路.而光電晶體管雖然具有低壓、低功耗的優(yōu)點[10-11]，但在光照較弱時，其光電流增益和信噪比明顯下降．最近，Jung等[12]提出一種柵體互連的PMOS型光電探測器克服了上述缺點，并取得了很好的結(jié)果．由于該探測器采用遷移率較低的空穴作為載流子，故響應(yīng)度、動態(tài)范圍和響應(yīng)速度受到限制．此外，該結(jié)構(gòu)采用N阱/P型襯底結(jié)作為感光二極管，也使其易受襯底噪聲的干擾．

基于UMC 0.18μm 標準CMOS工藝，本文提出了一種柵體互連的NMOS型探測器結(jié)構(gòu)．利用T阱/ N阱結(jié)探測入射光，并通過T阱感應(yīng)電勢控制N溝MOS管的柵壓和閾值電壓，從而實現(xiàn)光信號的探測與倍增放大．與PMOS型探測器相比，本文設(shè)計的探測器具有更高的響應(yīng)度和更寬的動態(tài)范圍．此外，利用N阱將NMOS型探測器與讀出電路隔離，避免了相互干擾．

1? 理論分析與器件設(shè)計

圖1所示為本文設(shè)計的NMOS型光電探測器的剖面圖和電路模型圖，其與課題組前期設(shè)計的UV/blue探測器結(jié)構(gòu)類似[13]．綜合考慮探測器的響應(yīng)速度和感光范圍，以及工藝提供的結(jié)區(qū)，本文設(shè)計探測器的光敏二極管由T阱/N阱結(jié)實現(xiàn)，且T-well與NMOS管的柵極相連，并保持浮置，使二者具有相同電勢．

探測器工作時，N阱接電源電壓DD，NMOS管源端和P型襯底接最低電位GND，而NMOS管漏端接電壓D，作為光響應(yīng)電流的輸出端．

當入射光輻照探測器時，其在光照窗口下的T阱/N阱結(jié)附近吸收，并產(chǎn)生光生電子-空穴對．在內(nèi)建電場作用下，耗盡區(qū)及T阱擴散長度內(nèi)的光生電子被掃進N阱，而空穴則在T阱底部積累，使T阱電勢T-well隨光照強度而升高．因T阱與多晶硅柵相連，故阱電勢T-well可調(diào)節(jié)NMOS管的閾值電壓th和柵源電壓GS，進而隨光強變化控制NMOS管的工作狀態(tài)(截止、亞閾值及飽和)[14].

當入射光為微弱信號時，T阱感應(yīng)電勢T-well較低，故探測器工作在亞閾值區(qū)，其光響應(yīng)電流隨光強指數(shù)增加[14]，即

式中：n＝(/)nOX是MOS管的增益因子，和分別為MOS管的柵長和柵寬，n表示電子遷移率；OX表示單位面積的柵氧電容；d為耗盡層電容，T＝/為熱電壓；＝(1＋d/OX)反映了柵與硅表面之間的電容耦合．

隨著光強增加，T-well逐漸使探測器進入飽和區(qū)，此時光響應(yīng)電流為

式中m為沿溝道方向的體電荷變化因子．由于強光時的響應(yīng)度受到抑制，故本文設(shè)計的探測器不僅可實現(xiàn)微弱光信號探測，而且具有響應(yīng)度自調(diào)節(jié)能力，有效地擴展了器件工作的動態(tài)范圍．

利用UMC 0.18μm CMOS工藝的T阱層和N阱層，本文優(yōu)化設(shè)計了探測器版圖．為了提高實際器件的靈敏度，本文將探測器的感光面擴展到多晶硅柵外的T阱區(qū)，設(shè)計感光面積為16μm×16μm，而探測器整體面積為20μm×20μm．為防止光敏窗口被互連金屬遮蔽，版圖設(shè)計時在其上方增加了CAD_DK層．另外，為了性能對比，同時也設(shè)計了相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的PMOS型探測器．

2?測試與分析

設(shè)計探測器經(jīng)UMC 0.18μm CMOS工藝流片制備，芯片顯微照片如圖2中虛線方框所示．為了方便測試，將芯片壓焊在如圖3所示的PCB測試板上，其上分別設(shè)計了N阱供電端口、漏偏置端口和地端口，以及光電探測器的SMA輸出端口．為了更好地控制探測器工作，在其輸入端口加入零歐姆的開關(guān)電阻，并在供電導(dǎo)線上增加旁路去耦電容．此外，為降低光反射，綁線芯片未使用聚酰亞胺保護．

圖2? NMOS型探測器芯片顯微照片

采用卓立漢光Omni-λ 300光譜儀和Stanford SR830鎖相放大器搭建了光譜測試系統(tǒng)，對NMOS型探測器的光譜響應(yīng)進行了測試．將測得的光電流對各輸出波長的光功率進行歸一化，得到如圖4所示的響應(yīng)度．其中，光波長范圍為400～800nm，漏源電壓DS＝0.3V，DD＝1.8V．由圖4可知，NMOS型探測器在400～700nm波長范圍內(nèi)具有較好的響應(yīng)，且響應(yīng)峰值分別位于495nm和580nm．

圖3 ?NMOS型探測器的PCB測試板

因NMOS型探測器的T阱/N阱結(jié)和N阱/P型襯底結(jié)的深度不同，典型值分別為1.2μm和1.8μm，故對不同光波長的響應(yīng)度各異．根據(jù)入射光在硅中的吸收系數(shù)推斷，T阱/N阱結(jié)和N阱/P型襯底結(jié)分別對應(yīng)于495nm和580nm的峰值響應(yīng)．此外，本文也測試了DS＝0.6V和0.9V時的響應(yīng)度．結(jié)果表明，響應(yīng)度與DS關(guān)系不大．這是因為DS＞0.3V后，NMOS管進入飽和區(qū)，輸出電流不再受漏源電壓調(diào)制．圖5所示為NMOS型光電探測器的光電流響應(yīng)曲線．其中，測試光源采用CREE XLampMC-E紅光LED(峰值波長630nm附近，半高全寬約15nm)，輸出光功率和光響應(yīng)電流分別由Thorlabs PM100D功率計和Keithley 4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)測試儀獲得．需要說明的是，在光功率相關(guān)的計算中，假設(shè)光場強度處處相等．由圖5可見，NMOS型探測器具有MOS管的輸出特性．當漏源電壓DS較小時，MOS管處于線性區(qū)，光響應(yīng)電流隨DS近似線性增長；當DS達到0.3V左右時，MOS管接近飽和區(qū)，此時光電流幾乎不再隨DS增加，這與理論分析和響應(yīng)度的測試結(jié)果是一致的．另外，因阱感應(yīng)電勢T-well受光強調(diào)制，故輸出電流隨光強增大而增加．此外，圖中DS的進一步增加使輸出光電流顯著增大，這可能與深亞微米MOS管的漏致勢壘降低效應(yīng)有關(guān)[14]．

將光電流與暗電流之差除以輻射光功率，即可得到探測器在不同光強下的直流響應(yīng)度，如表1所示．為了分析比較，表中也給出了同芯片設(shè)計的PMOS型探測器．由表1可見，本文設(shè)計的探測器結(jié)構(gòu)具有很高的直流響應(yīng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)微弱光信號的探測放大，且響應(yīng)度隨光強的增大而減小，具有自動調(diào)節(jié)能力．由于電子的漂移速度更快，故NMOS型探測器的載流子收集效率更高，其響應(yīng)度明顯優(yōu)于PMOS型探測器．

圖4 ?NMOS型探測器的響應(yīng)度

圖5 ?NMOS型探測器輸出特性

表1 ?柵體互連光電探測器的響應(yīng)度比較

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

為了表征所設(shè)計探測器的瞬態(tài)特性，利用Tektronix AFG3022B信號發(fā)生器發(fā)出電脈沖信號直接調(diào)制CREE XLampMC-E紅光LED的驅(qū)動電流，并將光脈沖信號照射待測探測器芯片，最后通過RIGOL DS6104示波器顯示輸出的光電流信號．圖6給出了不同調(diào)制頻率下探測器的輸出信號.其中，LED光源的輸出光功率密度opt＝36mW/cm2.由圖6可見，探測器輸出光電流較好地還原了輸入信號，響應(yīng)頻率可達200kHz，滿足圖像傳感器的要求．當調(diào)制頻率超過300kHz后，受探測器帶寬限制，光電流信號波形嚴重失真．此外，隨著調(diào)制頻率的增加，探測器的輸出光電流幅度降低．造成這種現(xiàn)象的可能原因：①因示波器與探測器串聯(lián)，其分壓電阻較大，影響NMOS探測器的飽和工作狀態(tài)，故電流較?。虎陔S著調(diào)制頻率增加，探測器的大電容使得光電流難以隨輸入光信號快速變化，故輸出幅度隨頻率?滾降．

圖6 ?NMOS型探測器的瞬態(tài)特性

表2總結(jié)了本文設(shè)計探測的性能參數(shù)，并與基于標準的CMOS工藝的其他探測器進行了對比．由表2可知，本文設(shè)計的探測器在響應(yīng)度和功耗方面具有明顯優(yōu)勢．

表2? 基于CMOS工藝的探測器性能對比

Tab.2 Performance comparison of photodetector based on CMOS technology

3? 結(jié)?語

基于光生伏特效應(yīng)和MOS管放大原理，提出一種與標準CMOS工藝完全兼容的NMOS型柵體互連光電探測器，并通過UMC 0.18mm CMOS工藝實際流片制造．測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計探測器芯片在400～700nm光波段內(nèi)具有良好的直流響應(yīng)度.對于630nm的LED光源，所設(shè)計探測器在5mW/cm2時的響應(yīng)度可達1550A/W，并實現(xiàn)了200kHz的光信號探測．雖然工作頻率相對較低，但基本滿足CMOS圖像傳感器的速度要求，有效證明了設(shè)計思路的合理性．因此，本文設(shè)計探測器有望應(yīng)用于生物熒光檢測、疾病診斷等弱光探測領(lǐng)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．

謝?生（1978—??），男，博士，副教授.

謝?生，xie_sheng06@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(11673019)；集成光電子學(xué)國家重點實驗室開放課題資助項目(IOSKL2017KF07).

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

(責任編輯：王曉燕)