1024×1024元帧转移纵向抗晕CCD图像传感器_钟玉杰.pdf

收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 1.*通信作者:杨 洪E-m a i l:y a n g h o n g j o b q q.c o m光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 0 8 2 1 0 11 0 2 4 1 0 2 4元帧转移纵向抗晕C C D图像传感器钟玉杰,杨 洪*,易学东,吴雪飞,谷顺虎,张 娜(重庆光电技术研究所,重庆4 0 0 0 6 0)摘 要:帧转移电荷耦合器件(F T C C D)主要应用于可见光信号探测,其在强光应用场合容易出现光晕现象。针对该问题,研制了帧转移纵向抗晕C C D图像传感器,该器件阵列规模为1 0 2 4 10 2 4元,像素尺寸为1 2m1 2m。为了实现纵向抗晕功能,采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构,纵向抗晕倍数为2 0 0倍,器件满阱电子数为大于等于2 0 0k e-,读出噪声小于等于8 0e-,动态范围大于等于20 0 01。关键词:纵向抗晕;帧转移;电荷耦合器件;图像传感器中图分类号:T P 2 1 2 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 1 4-0 41 MF r a m eT r a n s f e rC C DI m a g eS e n s o rw i t hV e r t i c a lA n t i b l o o m i n gZ HONGY u j i e,YANG H o n g,Y IX u e d o n g,WUX u e f e i,GUS h u n h u,Z HANGN a(C h o n g q i n gO p t o e l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,C h o n g q i n g4 0 0 0 6 0,C H N)A b s t r a c t:F r a m et r a n s f e rc h a r g ec o u p l e dd e v i c e(F T C C D)i sm a i n l yu s e df o rv i s i b l el i g h td e t e c t i o n,w h i c h i sp r o n et ob l o o mi ns t r o n gl i g h ta p p l i c a t i o n s.T os o l v et h i sp r o b l e m,af r a m et r a n s f e rv e r t i c a l a n t i-b l o o m i n gC C Di m a g e s e n s o rw a sd e v e l o p e d.T h ea r r a ys i z eo f t h ed e v i c ew a s10 2 410 2 4e l e m e n t s,a n dt h ep i x e l s i z ew a s 1 2m1 2m.I no r d e r t or e a l i z e t h ev e r t i c a l a n t i-b l o o m i n gf u n c t i o n,a n n-t y p e b u r i e d c h a n n e ls a d d l e p-w e l l-n-t y p es u b s t r a t es t r u c t u r e w a sa d o p t e d.T h ev e r t i c a l a n t i-b l o o m i n gm u l t i p l e i s2 0 0 X,t h ef u l l c a p a c i t yi sn ol e s st h a n2 0 0k e-,t h er e a d o u tn o i s e i sn om o r e t h a n8 0e-,a n dt h ed y n a m i c r a n g e i sn o l e s s t h a n20 0 01.K e yw o r d s:v e r t i c a l a n t i b l o o m i n g;f r a m e t r a n s f e r;C C D;i m a g es e n s o r0 引言帧转移C C D主要应用于可见光探测,在对玻璃、不锈钢等强反射目标成像时容易出现光晕现象。在对地遥感应用中,目标景物光强变化范围大,要求帧转移C C D在强光和弱光环境下都可以摄取清晰的图像。所以,帧转移C C D除了在弱光条件下要具有高灵敏度,在强光条件下还要具有抗晕能力1-3。本文针对帧转移C C D实际工程应用需要,研究了其纵向抗晕结构和特性4-1 1,研制了10 2 410 2 4元帧转移纵向抗晕C C D图像传感器。1 结构设计研制的芯片整体架构如图1所示,器件整体架构为帧转移C C D,光敏区有效像元数为10 2 41 0 2 4,像元尺寸1 2m(H)1 2m(V),光敏区左、右各4列缓冲像元,左、右各2 0列暗像元,光敏区顶部有6行暗像元,读出放大器采用三级源跟随放大器。该器件纵向抗晕结构见图2。图2(a)所示为四相转移像元结构,像元之间通过沟阻隔离;图2(b)所示n型埋沟位于鞍形p阱之上,鞍形p阱位于n型衬底之上,n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底构成纵向抗晕结构;图2(c)所示为纵向抗晕电势分布,入射光产生的电荷存储在n型埋沟势阱之中,当超过势阱容量时,过剩的电荷越过鞍形p阱势垒,泄放进入41S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 n型衬底,实现抗晕目的。图1 器件整体架构(a)4相转移像元结构(b)沿A A 方向剖面图(c)纵向抗晕机理示意图图2 帧转移纵向抗晕C C D像元结构2 器件制作光敏区鞍形p阱工艺是制作纵向抗晕C C D的关键所在,该器件采用高温推结硼离子横向扩散的方式形成光敏区鞍形p阱分布,通过调整推结时间、推结温度,可灵活地控制光敏区马鞍形p阱浓度、结深,与其他区域的p阱掺杂浓度、结深相比,光敏区鞍形p阱掺杂浓度、结深都会更低。在衬底施加抗晕电压时,光敏区鞍形p阱会耗尽,使多余的光生载流子通过光敏区抗晕势垒进入衬底,实现抑制光晕的作用。其光敏区鞍形p阱工艺流程如图3所示,首先在像元局部区域进行如图3(a)所示硼离子注入,通过高温推结形成如图3(b)鞍形掺杂分布,再进行如图3(c)埋沟、沟阻、多晶硅等后续工艺。(a)硼离子局部注入(b)硼离子高温扩散形成p阱(c)埋沟、沟阻等后续工艺图3 p阱制作工艺流程51 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期钟玉杰 等:10 2 410 2 4元帧转移纵向抗晕C C D图像传感器 器件采用1 5.2 4 c m(6 i n c h)、最小特征尺寸0.5m工艺制作,衬底采用电阻率4 7c m的n型(1 0 0)硅。采用两层多晶硅和两次金属工艺,第一次金属用作电极,第二次金属用作存储区挡光层。图4为制作了1 0 2 4 1 0 2 4元帧转移纵向抗晕C C D的6 i n c h晶圆照片。图5为陶瓷封装的帧转移纵向抗晕C C D照片,芯片尺寸为1 4.9 6mm 2 7.0 2mm。图4 帧转移纵向抗晕C C D晶圆照片图5 陶瓷封装的帧转移纵向抗晕C C D器件照片3 抗晕特性在通常情况下,采用方形光斑法评价帧转移纵向抗晕C C D的抗晕特性。光斑尺寸为器件垂直区高度的9%1 1%,用抗晕倍数X表征器件的抗晕能力。X=I光晕I饱和(1)式中,I饱和为饱和光强,I光晕为光晕光强。在帧转移纵向抗晕C C D抗晕性能测试时,调整入射光强使得照射至器件的光斑处于临界饱和状态,记录此时光强I饱和;随后增加入射光强直至方形光斑尺寸扩展为原始光斑的2倍,记录此时光强I光晕,由此可得器件抗晕倍数。器件纵向抗晕性能测试结果如图6所示,其中图6(a)所示为临界饱和时光斑成像,光斑尺寸为1 0 0像素1 0 0像素;图6(b)为增大光强至1 0 0倍临界饱和状态时的光斑成像,此时光斑尺寸为1 0 0像素1 1 9像素,相比于临界饱和时光斑垂直方向尺寸,此时光斑扩展了1 9个像素;图6(c)为增大光强至2 0 0倍临界饱和状态时光斑成像,此时光斑尺寸为1 0 0像素1 3 8像素,相比于临界饱和时光斑垂直方向尺寸,此时光斑扩展了3 8个像素,按照光斑扩展2倍要求,此时扩展像素小于1 0 0像素,表明器件抗晕倍数优于2 0 0倍。通过调节器件n型衬底偏置电压可以实现抗晕功 能开启、关闭。图7(a)所示为10 2 410 2 4元帧(a)临界饱和状态 (b)1 0 0倍饱和状态 (c)2 0 0倍饱和状态图6 器件抗晕性能测试(a)抗晕功能关闭 (b)抗晕功能开启图7 器件抗晕功能实景成像结果转移纵向抗晕C C D抗晕功能关闭时的实景成像,由图可见,高亮区域出现明显的光晕现象;图7(b)所示为器件抗晕功能开启时的实景成像,可见高亮区域光晕现象得到抑制,表明器件抗晕机制起到作用。4 器件性能参数表1列出了研制的10 2 410 2 4元帧转移纵向抗晕C C D的主要性能参数。图8为10 2 410 2 4元帧转移纵向抗晕C C D的典型量子效率()曲线。61S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 通过优化多晶硅电极制作工艺,减小多晶硅厚度,进而降低了多晶硅电极对入射光的损耗,使得器件的峰值量子效率达到7 0%。表1 帧转移纵向抗晕C C D主要性能参数测试参数数值有效像元数10 2 410 2 4像元尺寸/m21 21 2抗晕倍数/倍2 0 0饱和输出幅度/mV13 0 7满阱电子数/k e-2 1 4噪声/e-7 6动态范围28 0 61暗电流/(n A/c m2)0.7 6图8 器件量子效率曲线5 结论本文研制了10 2 410 2 4元帧转移纵向抗晕C C D图像传感器,解决了其在强光应用下的光晕问题。该器件有效像元数为10 2 410 2 4元,像元尺寸为1 2m1 2m,为了实现纵向抗晕功能,采用了n型埋沟-鞍形p阱-n型衬底结构,器件抗晕能力为2 0 0倍,满阱电子数为2 1 4k e-,噪声为7 6e-,动态范围为28 0 61。参考文献:1 v a nd eS t e e gMJH,P e e k H L,B a k k e rJ G C,e ta l.Af r a m e-t r a n s f e rC C Dc o l o ri m a g e rw i t hv e r t i c a la n t i b l o o m i n gJ.I E E ET r a n s.o nE l e c t r o nD e v i c e s,1 9 8 5,3 2(8):1 4 3 0-1 4 3 8.2 F u r u k a w aA,M a t s u n a g a Y,S u z u k iN,e ta l.A ni n t e r l i n et r a n s f e rC C D f o rs i n g l e s e n s o r 2/3 c o l o rc a m e r aC/I n t e r n a t i o n a lE l e c t r o nD e v i c e sM e e t i n g,1 9 8 0:3 4 6-3 4 9.3 O d aE,I s h i h a r a Y,T e r a n i s h i N.B l o o m i n g s u