一種新型集成熒光傳感器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)*

施朝霞，曹全君，常麗萍

（浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院浙江省光纖通信技術(shù)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310023）

0 引言

熒光檢測是目前生物化學(xué)領(lǐng)域廣泛使用的超敏檢測技術(shù)。傳統(tǒng)的熒光檢測系統(tǒng)利用分立的光電倍增管或者雪崩二極管作為檢測傳感器，需要配合復(fù)雜的光路系統(tǒng)，不利于微弱熒光信號的檢測和檢測系統(tǒng)的微型化［1，2］。CMOS工藝兼容的光電傳感器由于其低成本、低功耗、與信號處理電路單片集成正逐漸取代傳統(tǒng)的檢測傳感器［3］。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計了一種新型的集成熒光傳感器，熒光傳感單元采用了寬波長響應(yīng)和更高光電轉(zhuǎn)換靈敏度的雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu);采用電容跨阻抗放大器（capacitive trans impedance amplifier，CTIA）有源像素電路替代了傳統(tǒng)的3T有源像素電路，具有更高的靈敏度和線性輸出范圍。該集成熒光傳感器結(jié)構(gòu)通過0.5μm CMOS工藝流片驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)表明:采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)對微弱的熒光信號具有更高的測試靈敏度。

1 雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管

光電二極管的設(shè)計主要是利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，光在硅片中的穿透深度與光波長有關(guān)，淺PN結(jié)光電二極管對短波長光具有較高的靈敏度，深PN結(jié)光電二極管對長波長光具有較高的靈敏度［4］。基于CMOS工藝的單結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu)可采用 P+/Nwell，Nwell/Psub結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。本文提出了一種新型的雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示，該雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管由淺結(jié)光電二極管P+/Nwell和深結(jié)光電二極管Nwell/Psub并聯(lián)而成，其中P+和Psub并聯(lián)構(gòu)成雙結(jié)深PN結(jié)的陽極，共用的Nwell構(gòu)成雙結(jié)深PN結(jié)的陰極。

P+/Nwell/Psub光電管可看成是2個PN結(jié)的并聯(lián)，總的光生電流由四部分構(gòu)成:1）Nwell區(qū)內(nèi)的耗盡層漂移電流Jdrift1;2）Nwell底部的擴(kuò)散電流Jdiff1;3）Psub區(qū)內(nèi)的耗盡層的漂移電流Jdrift2;4）Psub底部的擴(kuò)散電流Jdiff2?？赏茖?dǎo)出雙結(jié)深PN光電二極管的光生電流密度表達(dá)式［5］

圖1 CMOS工藝兼容的PN結(jié)光電二極管Fig 1 PN junction photodiode compatible with CMOS process

其中，Φ為器件表面光通量，α為硅對入射光的吸收系數(shù)，X1為P+區(qū)寬度，Wn為淺結(jié) P+/Nwell耗盡區(qū)寬度，X2為Nwell區(qū)寬度，Wp為深結(jié)Nwell/P-sub耗盡區(qū)寬度，Dp為Nwell中空穴擴(kuò)散系數(shù)，Lp為空穴擴(kuò)散長度，Dn為P-sub中電子擴(kuò)散系數(shù)，Ln為電子擴(kuò)散長度。

根據(jù)0.5 μm CMOS工藝參數(shù)，結(jié)合前面理論推導(dǎo)公式，利用Matlab對3種不同結(jié)構(gòu)的PN光電二極管器件進(jìn)行了光電轉(zhuǎn)換靈敏度數(shù)值模擬，PN結(jié)熒光單元光電流與入射光波長的歸一化關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出:P+/Nwell淺結(jié)光電二極管的波長響應(yīng)范圍為350～1000 nm，在波長420 nm處產(chǎn)生峰值光電流;Nwell/Psub深結(jié)光電二極管的波長響應(yīng)范圍為400～1 000 nm，在波長600 nm處產(chǎn)生峰值光電流;雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管的波長響應(yīng)范圍為300～1000 nm，在波長550 nm處產(chǎn)生峰值光電流。仿真結(jié)果與理論相符，淺結(jié)的P+/Nwell光電二極管對短波吸收好，深結(jié)的Nwell/Psub光電二極管對長波吸收好，雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管的峰值波長居中。在靈敏度方面，由于雙結(jié)深光電二極管結(jié)構(gòu)是深淺結(jié)光電二極管的并聯(lián)，在同等強(qiáng)度的激發(fā)光照射下，產(chǎn)生的光生電流為兩者之和，因此，可以得到更多的光電流。根據(jù)仿真結(jié)果，采用雙結(jié)深P+/Nwell/Psub光電二極管結(jié)構(gòu)提高了光敏傳感單元的波長響應(yīng)范圍和靈敏度。

圖2 單雙結(jié)光電二極管光電流與入射波長歸一化仿真結(jié)果Fig 2 Normalized simulation results for photo current and incident wavelength of single and double junction photodiodes

2 CTIA有源像素電路和CDS時序設(shè)計

本文設(shè)計的CTIA有源像素電路如圖3（a）所示，Reset信號高電平時，電路復(fù)位;Reset信號低電平時，電路通過外加的反饋電容積分轉(zhuǎn)換成電壓輸出。光電傳感的轉(zhuǎn)換靈敏度與電容呈反比，傳統(tǒng)3T有源像素電路中，光電二極管PN結(jié)自身結(jié)電容大（0.5 μm CMOS工藝傳感單元100 μm ×100 μm為800 fF左右），CTIA有源像素電路可以采用小電容（本文為10 fF），因此，3T有源像素電路不能滿足對微弱熒光信號的處理要求［6］。CTIA有源像素處理電路大大提高了對微弱熒光的靈敏度。另外，3T有源像素光電二極管兩端的反偏電壓高、暗電流大、工藝偏差造成的列偏置電流源引起的固定模式噪聲很難通過后續(xù)電路消除;CTIA有源像素電路可以通過運(yùn)放反饋環(huán)路為光電二極管提供很低的反偏電壓來降低暗電流，同時在積分階段光電二極管寄生電容上的電壓保持不變，保證了輸出的積分電壓具有更好的線性度。為了消除電路的固定模式噪聲，光電傳感有源像素電路采用相關(guān)二次采樣差分后輸出，相應(yīng)的電路工作時序波形如圖3（b）所示。該電路工作時分為3個階段，分別是t1復(fù)位階段、t2積分階段和t3保持階段。復(fù)位階段，CTIA有源像素電路處于復(fù)位狀態(tài)，選通開關(guān)Ksel導(dǎo)通，傳輸門T1，T2導(dǎo)通，Sout和Rout輸出相同的復(fù)位電壓值;積分階段，CTIA有源像素電路隨光照線性積分輸出，選通開關(guān)Ksel導(dǎo)通，傳輸門T2導(dǎo)通，Sout跟隨線性變化輸出，此時傳輸門T1關(guān)斷，Rout保持不變;保持階段，傳輸門T2關(guān)斷，Sout輸出保持。后續(xù)差分電路將Rout和Sout相減即可得到輸出電壓隨光照變化的曲線，同時可以消除電路的固定模式噪聲。

3 測試結(jié)果與討論

本設(shè)計采用上華0.5 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝進(jìn)行流片驗(yàn)證，芯片照片如圖4所示，片上集成了雙結(jié)深3T有源像素陣列、CTIA有源像素傳感陣列、CDS電路、數(shù)字時序控制電路、差分輸出電路。

P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管波長響應(yīng)測試曲線如圖5所示，實(shí)驗(yàn)中選取了405，532，633，808 nm的LED單色光作為光源，測試了不同入射波長時光電二極管產(chǎn)生的光電流與同一入射波長不同光照強(qiáng)度時的光電流輸出。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管在同一波長時輸出光電流與光照強(qiáng)度呈正比，同時在波長532 nm時具有最好的靈敏度，P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管在波長405，532，633，808 nm時的靈敏度分別為1×10-9，2 ×10-8，3 ×10-10，2 ×10-10A·m2/W，與前面理論分析和仿真結(jié)果一致。

圖3 CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)圖與工作時序波形Fig 3 Architecture of CTIA active pixel circuits and working timing sequence waveform

圖4 光電傳感芯片照片F(xiàn)ig 4 Photo of photoelectric sensing chip

圖5 P+/Nwell/Psub雙結(jié)深光電二極管波長響應(yīng)測試Fig 5 Wavelength response test of P+/Nwell/Psub double-junction photodiode

實(shí)驗(yàn)測試比較了3T和CTIA 2種像素結(jié)構(gòu)輸出電壓與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，有源像素電路輸出電壓信號與光電管的光電流（光照強(qiáng)度）之間存在線性關(guān)系，當(dāng)輸出電壓由于像素電路結(jié)構(gòu)限制飽和后，輸出信號將不隨光電流的增加而增加。3T像素結(jié)構(gòu)和CTIA像素結(jié)構(gòu)在暗光測試下的的靈敏度測試曲線如圖6所示，測試時光照為6 lx，積分時間為310 μs，3T像素結(jié)構(gòu)電壓線性輸出范圍為79 mV，CTIA像素結(jié)構(gòu)電壓線性輸出范圍為4.17V，經(jīng)計算3T像素的光電轉(zhuǎn)換靈敏度為42 V/lx·s，而CTIA像素的靈敏度可以達(dá)到 2243 V/lx·s。

4 結(jié)論

圖6 光電靈敏度測試曲線Fig 6 Testing curve for photoelectric sensitivity

本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計了一種新型的集成熒光傳感器，熒光傳感單元采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管結(jié)構(gòu)，有源像素電路采用CTIA結(jié)構(gòu)，并通過0.5 μm CMOS工藝流片驗(yàn)證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，P+/Nwell/Psub在波長532 nm時具有最好的靈敏度2×10-8A·m2/W，3T像素結(jié)構(gòu)和CTIA像素結(jié)構(gòu)在光照為6 lx，積分時間為310 μs時的電壓線性輸出范圍分別為79 mV和4.17 V，經(jīng)計算3T像素的光電轉(zhuǎn)換靈敏度為42 V/lx·s，而CTIA像素的靈敏度可以達(dá)到2243 V/lx·s。該設(shè)計表明:采用雙結(jié)深PN結(jié)光電二極管作為傳感單元和采用CTIA有源像素電路結(jié)構(gòu)的熒光傳感器對微弱的熒光信號具有更高的測試靈敏度和更寬的線性輸出范圍。

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