高轉移效率時間飛行(TOF)圖像傳感器的像素單元優化

吳元慶 ,王 婷 ,李崎嫚 ,劉春梅 ,彭國良

(1.渤海大學 物理科學與技術學院,遼寧 錦州 121013;2.西安電子科技大學 微電子學院,陜西 西安 710071)

三維圖形技術中,圖像信息的獲取不會受到物體本身的形狀和角度影響,使得3D 圖像的獲取有能力解決很多二維圖像技術不能解決的問題。三維圖形技術所獲取的圖像信息更符合實際環境,也更能滿足人們的日常需求[1]。TOF(Time of Flight,時間飛行)相機是一種新興的三維圖像獲取設備,在眾多領域都有極大的應用潛力[2]。

三維圖像的實現是基于相機提供的場景深度信息進而給出三維圖像的描述,后期不需要更多的計算處理,可以有效節省運算時間。Robert 等[3]提出固態時間飛行距離相機,首次將TOF 技術應用在2D 像素陣列,基于連續波的TOF 技術,實現了實時靜態拍攝的距離相機。利用近紅外雷達波作為調制波,接收到探測信號后通過CCD 2D 陣列進行反調制,每個像素獨立工作,使得相機的距離精度達到厘米級。Shoji 等[4]提出的TOF 解決方案中,采用電荷漏結構(Charge Draining Structures,CDS)消除背景光,使用更短的脈沖波,保證了像素的驅動能力和高集成度。國內的研究方面,牛洪星等[1]對TOF 傳感器的建模和運動仿真展開研究,取得不錯的成績。但這些研究人員更多地關注于傳感器的結構設計和處理電路設計,而像素單元內電荷轉移效率更直接影響了圖像傳感器的性能。

為了提高TOF 中的電荷轉移速率,本文研究了傳感器像素單元的優化策略和方法,基于鉗位光電二極管(Pinned-Photo Diode,PPD)的圖像像素優化技術,通過工藝的調整和結構仿真的優化,使得TOF 的電荷轉移效率更高,速度更快,性能更好。

1 TOF 圖像傳感器模型

1.1 TOF 技術

時間飛行(TOF)相機的工作原理,是利用紅外調制光源向被測物發射脈沖光束,利用反射光束的相移差實現距離信息的求解[5]。

為了探測到發射光束和反射光束的相移差,光源需要以脈沖或者連續波的形式進行調制,光源信號通常為正弦波或方波。

1.2 模型建立

TOF 傳感器的制造工藝,采用標準0.18 μm CMOS 工藝,圖像傳感器的工藝流程如圖1 所示[6]。

圖1 TOF 圖像傳感器工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of TOF image sensor

利用Silvaco 軟件建模仿真后,獲得的圖像傳感器結構,如圖2 所示。

圖2 傳感器結構圖Fig.2 Structure diagram of TOF image sensor

1.3 TOF 工作原理

TOF 的電路原理圖如圖3 所示。由圖3 中可以看到,在反射光波信號到達PD 光電二極管前,PD 左側的RST(復位管)一直處于工作狀態,用于將背景光信號消除。

圖3 TOF 的電路原理圖Fig.3 Schematic circuit diagram of TOF

反射波到達PD 后,RST 停止工作,經過充分曝光,PD 內部產生光電信號,此時曝光停止。打開傳輸柵(Transfer Gate,TG),PD 中的信號電子快速傳輸到浮空節點(Floating Diffusion,FD)中,FD 電荷量開始發生變化。

柵源極追隨器(Source Follower,SF)將FD 的電荷變化信號轉換成電壓信號,產生FD 電勢[7]。由于FD中存在噪聲信號,因此需要對其進行復位消除[8]。

SF 中讀取的信號,經過放大后,輸入至雙相關采樣電路進行存儲和信號處理。處理后的信號,通過模擬數字轉換器轉換為14 位數字信號,經過并行數據轉串行數據處理,獲得一位的out 串行數據。

復位過程中,同時打開TG 和RST 的MOS 柵,復位段的電極接VDD,PPD 的電子向高電勢方向移動。復位完成后,電子濃度降低到1015/cm3以下時,認為PPD 全耗盡。

2 仿真結果與優化

2.1 仿真結果

2.1.1 圖像傳感器復位情況

圖4 為PD 電子復位的電子數量時序圖。從圖4 可以看到,PD 中的電子僅僅需要1.5 ns 左右就完成了復位,而且N 型區的電子數量由13200 個電子復位后只剩2～3 個電子,實現了徹底的全耗盡。

圖4 PPD 的復位過程的電子數量時序Fig.4 Electronic quantity timing of PPD reset process

2.1.2 圖像傳感器曝光

由于TOF 的調制和解調的脈沖頻率很高,使得每次曝光的時間很短,因此需要TOF 圖像傳感器具有較高的量子效率。而圖像傳感器的量子效率由光電二極管的N 區注入工藝直接決定[9]。

在復位完成之后,對圖像傳感器進行短時間曝光。曝光參數如下: 入射角度為垂直PPD 入射,紅外光波長一般為850～910 nm,曝光強度為0.1 W/cm2,曝光時間為10～50 ns。

量子效率μp是評價光電二極管工作特性的重要參數,其計算公式為:

式中:A為曝光面積;texp為曝光時間;λ為光波長;E為光強密度。由式(1)可以對光子數計算,量子效率可以表示為在鉗位二極管中產生的光電子數與光子數的比值。

表1 為不同的參數情況下的量子效率。分別做三組實驗,曝光強度分別為0.1,0.001 和1×10-6W/cm2,選擇曝光時間分別為10,30 和50 ns,比較量子效率的情況。本文選擇曝光面積為4.7 μm2,曝光波長為905 nm。

從表1 的曝光結果可以看到,對于第1 組或第2組的曝光情況,在曝光強度為0.1 W/cm2和0.001 W/cm2時,量子效率的規律為: 曝光時間越長,傳感器的量子效率越高。對于第3 組中光強密度為1×10-6W/cm2的情況,其量子效率與前兩組相反,量子效率隨著曝光時間的增大而減小,分析其原因,主要是由于光電子信息被回流電子覆蓋所導致。

表1 不同參數下獲取的量子效率Tab.1 Quantum efficiency of different parameters

縱觀3 組情況,在相同的曝光時間下,光強密度越小,量子效率越高。在光強為1×10-6W/cm2,曝光時間為10 ns 時,量子效率達到1330.4%。

2.2 TOF 關斷優化

在圖像傳感器的像素內部,最重要的元件是光電二極管PD(Photo Diode)。在PD 中,TG 的好壞直接決定了像素是否能夠工作或達到期望的工作效果[10]。

對于TOF 來說,不僅要關注勢壘的快速轉移,也要關注電子轉移完成及TG 關斷后,是否完全隔離PPD 和FD,這直接影響了像素能否正常工作[11]。

TG 的勢壘分布對PD 的工作特性影響很大,是整個器件構造的關鍵點。CPX (Clamp P-Zone X,P 鉗位區)的主要作用是控制TG 的閾值電壓,影響傳輸柵的開啟關閉特性。P-Well 是對FD 浮空擴散節點和PD隔離的第一道保障,也同時防止寄生的閂鎖效應。根據離子注入情況,P-Well 還會影響到傳輸柵下的勢壘,一般P-Well 是通過多次注入實現的。

防穿通注入的根本目的在于,實現對PD 的N 型埋層和FD 浮空擴散節點的底部隔離,防止FD 中存儲電荷的損耗。不同的代工廠采用不同的APT 工藝進行器件隔離,具體形式與工藝情況有關。

對TG 傳輸柵下的勢壘分布進行調整,使得PPD中的電荷能夠迅速、完全地轉移至FD 中[12]。對于TOF 工藝的優化,主要是注入方案的調整,不使用APT 防穿通注入工藝,直接使用閾值調整CPX 注入和PWELL 的注入,從而在PPD 與FD 邊界處,實現良好的勢壘分布。

對于優化后的方案進行仿真,分別考慮TG 導通和關斷時的電子勢能分布,仿真結果如圖5 和圖6所示。

圖5 TG 導通時PPD 和FD 中的電子勢能分布Fig.5 Electron potential energy distribution in PPD and FD at TG conduction

圖6 TG 關斷時PPD 和FD 中的電子勢能分布Fig.6 Electron potential energy distribution in PPD and FD at TG off

圖5 和圖6 為工藝優化后三維電勢的勢壘分布。圖5 描述了TG 開啟后的勢壘分布,勢壘分布滿足開啟需求。圖6 中,在保證PPD 中的電荷完全的轉移到FD 中后,TG 關斷可以很好地實現PPD 和FD 的隔離。

2.3 TOF 圖像傳感器電荷轉移效率優化

電荷轉移速度是TOF 圖像傳感器的重要參數,如何在現有結構基礎上對其進行優化,是當前研究的熱點方向[13]。

橫向電場電荷調制器(Lateral Electric Field Charge Modulator,LEFM) 結構通過增加柵的數量,可以使得電荷轉移速度達到很快,但是該方法的非標電壓會導致時序混亂而增加了電路復雜程度,且大幅增加了傳感器功耗,器件的性能受到了極大的限制[14]。為了在標準3.3V 電壓情況下,依然使得電荷傳輸速度達到最高,需要對其進行優化。

分析電荷轉移時間的機理,對于標準PPD 中的感光區,一般為矩形結構,電荷在N 埋層中基本屬于擴散運動,擴散時間t可以表示為:

式中:Ldif為擴散長度;Dn為擴散系數。

同時,由于N 埋層與襯底之間存在寄生PN 結,其寄生電場E會使得電子受到作用而產生漂移,漂移時間公式為:

式中:Ldri為漂移運動距離;μn為電子遷移率。

從而,總的電子轉移時間為漂移運動與擴散運動作用的時間之和,表示為:

由式(4)可知,優化PPD 形狀,增大電場E可以有效降低漂移時間,電子運動的總時間縮小,進而提高電荷轉移速度。

當PPD 完全耗盡時,其電勢Vd的表達式為:

式中:Xn為耗盡區寬度;ND為襯底電子濃度;NA為N埋層中空穴濃度。

對于縱向電場,其與耗盡區寬度的關系可以表示為:

由式(6)可知,通過改變N 埋層的寬度,能夠有效提高耗盡區寬度Xn和N 埋層中的電場E,從而提高電荷轉移速率。

對于固定的k值,通過對式(5～6)求解,可以得到:

根據耗盡層寬度與Y軸位置的函數關系,構建關系曲線,可以得到增大邊緣電場后的器件結構,結合工藝設計后,模型如圖7 所示。

圖7 優化后的器件俯視圖Fig.7 Top view of optimized device

為了驗證本文縱向電場優化的效果,利用Silvaco對改進后的模型進行仿真,并與相同面積下的原矩形結構進行橫向對比。

器件結構優化前與優化后的轉移時間對比結果,如圖8 所示。

圖8 器件結構優化前后的轉移時間對比Fig.8 Comparison of transfer time before and after device structure optimization

從圖8 中可以看到,在相同的TG 長度下,優化后的模型轉移時間均小于矩形結構,只有在TG 長度為0.8 μm 時兩者相近,其他情況下,兩者均差距明顯,轉移時間節省10～20 倍,證明該模型能夠有效提高電荷轉移速率。

器件結構優化前與優化后的轉移效率對比結果,如圖9 所示。從圖9 中可以看到,在轉移效率方面,改進后模型依然優于矩形結構,除了在TG 長度較低的0.8 μm 時,兩者相距不明顯外,其他TG 長度下,兩者的轉移效率均存在較大的差異,效率相差5～20 倍。

圖9 器件結構優化前后的轉移效率對比Fig.9 Comparison of conversion efficiency before and after device structure optimization

對器件結構優化前后N 阱中殘余電荷情況進行對比,結果如圖10 所示。從圖10 中可以看到,N 阱中殘余電荷濃度方面,優化后模型只有在TG 長度低于1.5 μm 時會略低于矩形結構,在TG 長度大于1.5 μm后,殘余電荷濃度遠超過矩形結構。因此在圖像傳感器結構優化過程中,需要對TG 的長度進行優化,以保證器件在具有高的轉移效率情況下,具有盡量低的殘余電荷濃度。

圖10 器件結構優化前后N 阱殘余電荷對比Fig.10 Comparison of residual charge in N-Well before and after device structure optimization

從總體結果上看,經過縱向電場改進后的TOF 圖像傳感器具有更好的電荷轉移速度和電荷轉移效率,但需要根據TG 長度來有效控制殘余電荷濃度。

3 結論

針對TOF 的基本需求,本文利用Silvaco 軟件對傳感器進行了建模,進行了電學和光學仿真,模擬了TOF 圖像傳感器在實際工作中的狀態。利用工藝優化對傳感器的關斷進行改進,通過對工藝中防穿通注入的優化,能夠很好地實現PPD 和FD 的隔離。研究了TOF 中PPD 的電荷快速轉移優化,改進后的模型可以快速實現電荷的轉移,平均轉移時間節省近10 倍,大大提高了電荷轉移效率。與單純改變傳感器結構和處理電路的處理方式相比,本文改進后模型的電荷轉移效率更高,器件的性能更好。為TOF 圖像傳感器的優化和設計提供了一個改進思路。