集成光電智能探測器SOC研究

　　1 序言 

　　本文所討論的智能探測器，是一種集成的半導體光電探測器。它與傳統(tǒng)的半導體光敏器件相比，最為明顯的特點是系統(tǒng)集成，即將硅光電二極管與信號的放大、處理電路及輸出電路集成在一個芯片上，使得整個系統(tǒng)的可靠性明顯提高，體積大大減小，功耗和噪聲也大幅度減小，在批量生產(chǎn)的前提下，成本也較為低廉。它的另一個特點是技術含量較高，表現(xiàn)在：第一，需要設計一套CMOS兼容集成工藝流程，使它既能制造出合乎要求的光電二極管又能制造出CMOS模擬和數(shù)字電路。第二，工藝要求高。因為光電二極管陣列和外圍讀放電路集成在同一個芯片上，任何一部分出問題就會導致整個芯片報廢。因此，要求較高的成品率和工藝水平。第三，芯片要求設計精度較高，速度較快。在復印機、傳真機和海關檢測等領域，均已使用了功能類似的探測器芯片，但這些探測器芯片都是用于探測線條較粗的物體的。而本文研制的智能探測器要求探測直徑200微米左右的微細線條，這就要求它在設計上要有很高的靈敏度和讀出速度。

　　2 應用背景

　　本文所研究的智能探測器SOC可被應用于光敏器件陣列的信號放大，和掃描輸出，也可用于其它多通道輸入信號的放大和串行輸出。它可以應用于食品安全檢測、工業(yè)CT等多種X射線檢測領域。圖1所示的X射線檢測系統(tǒng)是一個典型的應用范例。傳送帶以較高的速度將被探測的物體(比如說，食品、物品、行李箱等)依次從探測系統(tǒng)中穿過，探測系統(tǒng)自動識別有關信息并將其送入計算機進行處理。按圖中的處理步驟依次為：X射線機發(fā)出適當強度的X射線，此射線通過被探測物品后即變成載有圖像信號的射線，然后，載有信號的X射線通過某種特殊的晶體，變成可見光，可見光信號被智能探測器掃描接收，變成串行的電信號，此電信號根據(jù)需要，有可能還要進行一些放大，濾波等處理，再經(jīng)過A／D變換后變成可以被計算機處理的數(shù)字信號輸入計算機，在有關圖像處理和分析軟件的支持下即可在計算機上輸出需要的信息。這樣，自動探測系統(tǒng)就可以以較高的速度進行高精度大批量處理。

　　3 電路設計

　　智能探測器電路設計采用了相關雙采樣(Correlated double sampling，CDS)的原理來降低噪聲。電路系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。每個電荷放大器處理通道由前端的積分器和后端的相關雙采樣組成。為了能夠對積分和讀出進行并行處理，在每一通道上，加入并行的兩個分支，每個分支的結構完全相同。每通道有兩個傳輸門TGA和TGB控制系統(tǒng)的采樣與讀出。當TGA導通時，TGB關閉，于是分支A被連接到輸出總線，64路分支A上的信號被移位寄存器掃描輸出。同時，分支B與輸出總線的聯(lián)系將被切斷，64路分支B上的信號即進行積分與采樣。當TGB導通時，TGA關閉，情況正好相反，分支B輸出信號而分支A積分和采樣。于是，我們可以連續(xù)地進行積分，采樣和輸出。在有些情況下，這樣的處理，提高了信號處理速度。

　　如圖2、圖3所示，當φREAD為低電平時，分支A積分和采樣，分支B讀出。首先，φRESET給出一個高電平復位脈沖，將積分器復位。然后φRESET信號變低，積分過程開始。首先，在積分剛剛開始時，分支A中的TG1導通，將積分器輸出信號采樣到電容C1上，此時的輸出信號包括失調及傳輸噪聲。然后，TG1關閉，積分繼續(xù)進行。在積分結束前，TG2導通，將積分器輸出信號采樣到電容C2上，此時的輸出信號包括信號電壓，失調及傳輸噪聲。在分支A進行積分及采樣的過程中，分支B中的傳輸門TG1與TG2一直關斷，因此，積分器輸出的變化不會影響到分支B采樣電容上供掃描輸出的信號。同時，分支A中的傳輸門TGA亦關斷，因此，移位寄存器的輸出信號也不會將分支A上的信號連接至輸出總線。

　　當φREAD由低電平轉變?yōu)楦唠娖綍r，在分支A的采樣電容上儲存好的一對差分信號，將被連接至輸出數(shù)據(jù)總線Video1與Video2，并被移位寄存器掃描輸出，同時，分支B將進行對信號的積分和采樣。

　　在實踐上，我們根據(jù)圖2、圖3所示的原理，使用開關電容技術實現(xiàn)了低噪聲、高讀出速度的智能探測器電路設計。由于篇幅所限，具體電路結構本文不再贅述。具體的測試結果見本文第5部分。

　　4 工藝設計

　　本電路采用1μm準雙阱硅柵CMOS工藝制造，探測器部分基本結構如圖4所示。我們力求在標準CMOS工藝的基礎上做少量修改，保證在不影響正常工藝步驟的情況下，加入少量幾個工藝步驟，在同一芯片上，制備出高性能光電二極管。與常規(guī)CMOS工藝相比，主要有如下特殊之處：

　　(1)P阱版

　　在電路區(qū)，與常規(guī)的P阱版沒有差異。對光電二極管，本次P阱注入形成保護環(huán)和接觸區(qū)。

　　(2)N阱版

　　在標準CMOS工藝中，不必進行這次光刻，只要對整個硅片進行大面積注入即可。但是，對于智能探測器工藝，由于存在光電二極管區(qū)，因此不能進行這樣處理。我們在P阱注入后再加入一塊N阱版，擋住光電二極管區(qū)，只對電路區(qū)進行注入，這樣，就達到了分別優(yōu)化的目的。

　　(3)P阱場注和有源區(qū)注入

　　這次光刻是利用常規(guī)CMOS工藝的P阱場注形成光電二極管的有源區(qū)注入，該步驟有待于優(yōu)化。

　　(4)P+注入

　　如圖4所示，本次注入在形成電路的P+區(qū)的同時，還對光電二極管的接觸區(qū)進行了P+注入，以形成良好的接觸。

　　(5)孔版

　　常規(guī)CMOS工藝一次即可刻出接觸孔，但對光電二極管，不但要刻接觸孔，而且還要刻掉光電二極管光敏面上的LPCVD層，因此，如3.1節(jié)所述，我們使用“孔版”和“孔和有源區(qū)版”來達到此目的。第一次光刻接觸孔和光電二極管的有源區(qū)，腐蝕掉LPCVD層，第二次光刻所有的接觸孔，腐蝕掉氮化硅層和二氧化硅層。

　　(6)鈍化版

　　與常規(guī)CMOS工藝的不同之處是，為了避免影響透光，在刻壓焊塊上的鈍化層的同時，還要刻掉光電二極管有源區(qū)表面的鈍化層。

　　這一步也需要重點優(yōu)化。實際上，我們已經(jīng)作了一些優(yōu)化工作。例如，可先不做孔和有源區(qū)光刻，等刻完鈍化后再用該版掩蔽濕法刻去光電二級管有源區(qū)的厚氧化層。這樣，可以省去刻鋁后的PECVD氧化硅鈍化，另外還可提高氧化層刻蝕的終點監(jiān)測。但是，該方法也存在一定的缺點，即橫向鉆蝕較厲害。故尚有待于進一步優(yōu)化。

　　5 測試結果

　　我們使用類似于圖1的系統(tǒng)對智能探測器的噪聲進行了測試，結果表明，其運行速度達到了每秒1 MHz的數(shù)據(jù)輸出速率。不同增益水平下的輸出噪聲如圖5所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，從0.5pF至3.5pF的所有增益范圍內，智能探測器的噪聲水平均達到了1250uV-230uV的水平。這個水平完全可以達到食品檢測和安全檢測所要求的精度。

　　6 結論

　　本文討論的集成光電智能探測器，是基于CMOS技術設計和制造的片上系統(tǒng)。在一片硅片上，既實現(xiàn)了傳感器功能，又實現(xiàn)了CMOS信號處理電路，有效地提高了芯片的處理能力和附加價值。經(jīng)測試，其功能完全符合設計要求，讀出速度達到1 MHz的水平，而噪聲水平在0.5pF-3.5pF的增益范圍內，達到1250uV-230uV，具備應用于食品檢測和工業(yè)CT等X射線探測領域的基本條件。