溫度對4管像素結構CMOS圖像傳感器性能參數的影響

2016-05-04 05:32:14李豫東張興堯

發光學報 2016年3期

王帆，李豫東，郭旗，汪波，張興堯

(1. 中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊 830011；2. 中國科學院大學，北京 100049)

王帆1,2，李豫東1*，郭旗1，汪波1,2，張興堯1,2

為了對4管像素結構CMOS圖像傳感器的空間應用提供可靠性指導，對4管像素結構的CMOS圖像傳感器進行了-40～80 ℃的變溫實驗，著重分析了樣品器件的轉換增益、滿阱容量、飽和輸出和暗電流等參數隨溫度的變化規律。實驗結果表明，隨著溫度的升高，樣品器件的轉換增益從0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,飽和輸出從4 030 DN下降到3 396 DN，并且暗電流從22.9 e·pixel-1·s-1增長到649 e·pixel-1·s-1。其中器件轉換增益的減小應主要歸因于載流子遷移率隨溫度升高而下降使得像素后端讀出電路增益降低；飽和輸出的降低則是因為轉換增益的降低，因為轉換增益隨溫度變化對飽和輸出的影響要大于滿阱容量隨溫度變化對飽和輸出的影響。

CMOS圖像傳感器；轉換增益；滿阱容量；暗電流；溫度

1 引言

相比于電荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)圖像傳感器，互補金屬氧化物半導體(Complementary metal oxide semiconductor，CMOS)圖像傳感器有著低功耗、充足的設計資源和制造工藝成本低等優勢。而且近些年隨著半導體工藝和CMOS圖像傳感器技術的發展，尤其4管像素在采用了鉗位二極管(Pinned photo diode,PPD)和相關雙采樣(Correlated double sampling,CDS)技術后，4管CMOS圖像傳感器的成像性能已經可以比擬CCD圖像傳感器[1-3]。盡管在尋找更加完美的成像質量過程中，圖像傳感器設計師提出了各種各樣的像素結構，但掩埋型光電二極管4管結構圖像傳感器是迄今為止最成功的商業產品，也是目前主流的APS像素結構。

近些年，CMOS圖像傳感器在空間領域的應用越來越廣泛，涉及對地觀測、遙感成像和星敏感器等星圖采集功能,其中以在星敏感器中的應用研究報道最多[4]。然而對應用于空間環境中的成像器件而言，空間中較大的溫度梯度是影響其性能的一個十分重要的因素。因為太空中是通過輻射來完成熱傳遞的，因此空間飛行器的太陽直射面溫度可到 110 ℃左右，而其背陽面卻可低至-180 ℃[5]。因此，空間飛行器可能會在運行期間經受各種環境溫度。為了保證星載設備的正常運行，增加飛行器的在軌可靠性，通常要求宇航級電子器件可以在較寬的溫度范圍內正常工作，例如-50～120 ℃。

國外較早地開展了針對于空間應用的圖像傳感器溫度實驗，Hopkins等[6]研究了溫度對CCD圖像傳感器轉移效率(Charge transfer efficiency，CTE)的影響，結果表明，冷卻CCD可以很好地改善CCD因空間輻照而造成的CTE下降，因為輻照產生的陷阱在低溫下可以有效地被凍結以保證長時間被填充。Goiffon等[7]進行了3管像素結構CMOS圖像傳感器的溫度和輻照實驗，實驗結果表明，溫度越高，圖像傳感器的隨機電碼(Random telegraph signal，RTS)噪聲幅度越大且頻率越高。Sirianni[8]對哈勃望遠鏡的在軌數據進行了分析，結果表明，在較低溫度下也可以得到與常溫相同的熱像素退火速率。以上大部分工作都是關于CCD或是性能較差的3管像素結構CMOS圖像傳感器技術，且研究內容多集中在圖像傳感器的暗場響應，而對更高性能的4T像素結構CMOS圖像傳感器的光響應，尤其是飽和輸出和滿阱容量(Full well charge，FWC)等的溫度效應研究甚少。

國內僅對CCD圖像傳感器開展了一些溫度研究工作。雷仁方[9]研究了鉗位CCD暗電流和暗電流非均勻性隨溫度的變化關系，實驗結果表明，鉗位CCD可以有效地減小器件的暗電流。相較于普通CCD，其暗電流和暗電流非均勻性大大減小，因此可以在更高環境溫度下工作。目前尚未有關于4管像素結構CMOS圖像傳感器的溫度研究報道。本文通過4管像素結構CMOS圖像傳感器的-40～80 ℃的變溫實驗，獲得了器件的溫度變化規律，并分析了傳感器功能參數隨溫度變化的物理機理，為4管像素結構CMOS圖像傳感器的空間應用提供了指導。

2 實驗

實驗樣品為某國產科學級CMOS圖像傳感器，該器件制造工藝為0.18 μm專用 CIS(CMOS Image Sensor)工藝。它的分辨率為400萬像素，讀出噪聲小于2個電子，且具有高于96 dB的動態范圍。它的像元尺寸為11 μm× 11 μm，像元設計采用4管像素結構，如圖1所示。在像素信號讀出之前，復位值先被采樣。這是因為在4管像素結構中，信號載流子的產生區和轉換區分開，分別在鉗位二極管和浮置擴散(Floating diffusion,FD)進行，這樣就可以使復位值和像素信號在同一幀內采樣，實現真正意義的相關雙采樣，從而達到了消除像素復位噪聲的目的，極大地提升了4管CMOS圖像傳感器的成像性能[10]。

圖1 4管像素單元結構

Fig.1 Cross sectional view of a 4T pinned photodiode (PPD) pixel

溫度實驗是在中國科學院新疆理化技術研究所的愛斯佩克EQ-02KA高低溫實驗箱中進行的。實驗的溫度范圍為-40～80 ℃, 測試點分別為-40，-20，20，50，80 ℃。溫度實驗示意圖如圖2所示，使用專門的高低溫實驗板，使得傳感器驅動電路可以放在高低溫實驗箱外，以避免溫度對驅動電路造成影響。測試時被測樣品器件的可編程增益(Programmable gain amplifier，PGA)選擇為最低增益(該款器件的最低PGA增益為0.66倍增益)。

圖2 溫度實驗示意圖

3 結果與討論

3.1 轉換增益隨溫度的變化

轉換增益的意義是每個有效光電子使得輸出圖像灰度值的增量，它的單位為DN/e，可以通過測試光子轉移曲線(Photo transfer curve,PTC)線性區斜率得到[11]。對于CMOS圖像傳感器而言，高增益意味著低噪聲和較低的滿阱容量，而低增益有著較高的噪聲但滿阱容量較大。圖3給出了樣品器件的轉換增益隨溫度的變化情況。從圖中可以看出，樣品器件的轉換增益隨溫度升高有下降的趨勢。

圖3 不同溫度下的轉換增益

CMOS圖像傳感器的工作原理是將光電二極管產生的光電子轉換成電壓信號經過降噪放大后由模數轉換器(Analog-to-digital converter,ADC)轉換為數字量(灰度值)[10]。由此可知，轉換增益主要是由像素后端的MOSFET讀出電路增益所決定。MOSFET讀出電路增益與MOSFET在飽和區的跨導密切相關，MOSFET工作在飽和區時的跨導gm可以表示為：

(1)

3.2 滿阱容量及飽和輸出隨溫度的變化

4管像素的滿阱容量即其像素單元光電二極管對光生電子的最大容納能力。其表達式為：

KFWC=(Vpinning-Vblooming)×CPPD，

(2)

其中Vpinning是PPD的鉗位電壓,是TG開啟時埋層N區內所能達到的最高電勢；Vblooming是光電二極管的溢出電壓值，代表TG關閉后像素滿阱瞬間達到的最低電勢；CPPD是光電二極管PPD的電容。滿阱容量是圖像傳感器的重要參數，更大的滿阱容量可以使傳感器擁有更高的動態范圍，更高的信噪比。可以說，滿阱容量的大小決定了傳感器成像的整體性能。根據之前所說工作原理，CMOS圖像傳感器的飽和輸出即為器件的滿阱容量乘以器件的轉換增益，因此可以知道飽和輸出由轉換增益和滿阱容量共同來決定。測試時先通過器件的光響應曲線得到器件的飽和輸出，然后用飽和輸出除以器件的轉換增益就可以得到器件的滿阱容量[11]。

器件的光響應曲線如圖4所示，可以看到器件的飽和輸出隨溫度升高而逐漸下降。圖5為器件滿阱容量隨溫度的變化關系，隨著溫度的增加，器件滿阱容量下降。因為式(2)中Vpinning和Vblooming只與器件工藝參數和偏置有關，因此可以排除溫度對它們的影響，只有CPPD與溫度有關。CPPD結電容包含了地面結電容和側壁結電容兩部分，其表達式如式(3)、(4)所示：

CPPD=CAA+CPP，

(3)

其中CA、CP分別為單位底面積和單位側壁面積的結電容；A、P分別為上下面面積和側壁面積；ε0是真空中介電常數，εSi是硅中介電常數；ND是N型摻雜濃度，NA是P型摻雜濃度；Vbi是PPD內建電勢；V是加在PPD上的電壓值。

圖4 不同溫度下器件的光響應曲線

圖5 滿阱容量隨溫度變化圖

但實驗結果發現，滿阱容量隨著溫度的升高而下降。這是因為我們是通過飽和輸出計算得到的滿阱容量，而轉換增益隨溫度變化對飽和輸出的影響要大于滿阱容量隨溫度變化對飽和輸出的影響，因此導致實驗測得的滿阱容量隨著溫度的升高而下降。

3.3 暗電流隨溫度的變化

暗電流即像素在沒有光照的條件下由于各類缺陷(界面缺陷和體缺陷)的存在而自發產生且被光電二極管所吸收的電子所形成的電流, 像素暗電流的單位是e·pixel-1·s-1。如圖6所示，溫度較低時，隨著溫度的升高，暗電流緩慢增加；當溫度較高時，暗電流隨溫度急劇增大。像素暗電流主要由以下3個部分組成：體內PN結反偏電流Jgen、襯底擴散電流Jdiff、表面產生復合電流Jsurf。總的暗電流Jd可以表達為：

(5)

式(5)中，3項分別代表體內PN結反偏電流Jgen、襯底擴散電流Jdiff和表面產生復合電流Jsurf[13]。其中W是耗盡層寬度，q是電荷，ni是本征載流子濃度，τg為載流子產生壽命，Dn為電子擴散系數，S0為表面產生速率。因為在溫度較低時，Jsurf?Jgen?Jdiff，因此低溫時表面產生復合電流占主導，而表面產生復合電流與T3/2成正比，所以此時暗電流隨溫度升高得不是很快；當溫度較高時，襯底擴散電流急劇增加，超過反偏電流和表面產生復合電流成為總暗電流的主要來源，占據支配地位。這是因為襯底擴散電流具有較高的溫度依賴性，它與T3成正比[9,13]，所以在溫度較高時，CMOS圖像傳感器的暗電流會隨溫度的升高而急劇地增大。

圖6 暗電流隨溫度變化圖

4 結論

對4管像素結構的CMOS圖像傳感器進行了從-40～80 ℃的變溫實驗，實驗結果表明，隨著溫度的升高，樣品器件的轉換增益從0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,飽和輸出從4 030 DN下降到3 396 DN，并且暗電流從22.9 e·pixel-1·s-1增長到649 e·pixel-1·s-1。通過對比分析滿阱容量和轉換增益的實驗結果，認為轉換增益隨溫度變化對飽和輸出的影響要大于滿阱容量隨溫度變化對飽和輸出的影響，因此飽和輸出的降低是因為轉換增益的降低而導致的。由于像素暗電流主要由PN結反偏電流、襯底擴散電流、表面產生復合電流這3種電流組成，且低溫下表面產生復合電流占主導，而表面產生復合電流與T3/2成正比，所以此時暗電流隨溫度升高得不是很快；當溫度較高時，襯底擴散電流成為總暗電流的主要來源，而它與T3成正比，所以在溫度較高時，CMOS圖像傳感器的暗電流會隨溫度升高而劇烈增大。本文研究了4管像素結構CMOS圖像傳感器的光場和暗場下性能參數隨溫度的變化關系，為今后高性能4管像素結構CMOS圖像傳感器在空間中的應用提供了可靠性指導。

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Temperature Effects on Performance Parameters in 4T CMOS Image Sensor

WANG Fan1,2, LI Yu-dong1*, GUO Qi1, WANG Bo1,2, ZHANG Xing-yao1,2

(1.KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesUnderSpecialEnvironments,ChineseAcademyofSciences,XinjiangKeyLaboratoryofElectricInformationMaterialsandDevices,XinjiangTechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:lydong@ms.xjb.ac.cn

In order to provide a reliable guidance for the spatial application of the 4T CMOS image sensor, temperature effects on 4T active pixel sensor CMOS image sensor from -40 ℃ to 80 ℃ were presented. The influences of temperature on conversion gain, full well charge, saturated output and dark current of the device were investigated. The experiment results show that the conversion gain of device decreases from 0.026 54 DN/e to 0.023 79 DN/e, the saturated output decreases from 4 030 DN to 3 396 DN, and the dark current increases from 22.9 e·pixel-1·s-1to 649 e·pixel-1·s-1with the temperature increasing. The decrease of conversion gain should be attributed to the decrease of the carrier mobility with the temperature increasing. The decrease of saturation output is mainly because of the decrease of the conversion gain which the influence of the conversion gain on saturated output is greater than that of the full well capacity with the change of temperature.

CMOS image sensor; conversion gain; full well charge; dark current; temperature