Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件。Lumerical 的器件級仿真工具能考慮多物理場的光、電、熱作用。系統級仿真工具包含了豐富的分析組，能協助使用者設計和優化光集成電路。這款軟件應用廣泛，能夠幫助很多行業解決一些實際問題。

01 說明

在CMOS傳感器中，光和電都可能引入串擾，是由于輸入光的波動性質、不完美的濾色片以及光學疊層中的對準失配等，一些光將滲入相鄰的子像素，在硅中產生電荷。此外，從目標子像素中吸收的光產生的電荷也可以擴散到相鄰子像素中，并由相鄰阱收集。

02 綜述

在光學模擬中，該方法將遵循吸收功率的方法（參見2D示例），FDTD區域必須延伸到硅襯底中。Bloch邊界條件將用于光學模擬中以某個角度入射的周期性，仿真區域將包含一個RGBG像素（四個子像素）。

生成率分析組

FDTD模擬中必須添加三個生成率分析對象，以記錄和分析綠色和藍色子像素中的吸收功率。您將注意到有三個生成率對象：一個僅位于藍色通道下，一個僅在綠色通道下，另一個覆蓋兩者。對于CHARGE模擬，我們確實只需要生成對象覆蓋藍色和綠色通道下的兩個區域的結果，但我們保留了其他兩個分析組，以便在以后的計算中使用每個通道的Jsc輸出結果。生成率分析組將：

平均y方向上的生成率，

重復x方向上的生成率（因為光學模擬是周期性的），

保存可導入CHARGE模擬的生成率文件。

分析組的選項卡設定如下所示：

入射角掃描

在cis_QE.fsp文件中的掃描任務設置為掃過7個角度點（0度到35度），對于每個角度，光源偏振角都設置為0度和90度，總共14次模擬。

每種情況下，生成率輸出為.mat文件。由于我們需要非相干光結果，所以我們將兩個偏振角模擬的結果相加。分析組返回乘以系數0.5的生成率以修正結果，因此當我們將兩個極化結果相加時，我們將得到非相干源的平均生成率。

03 運行和結果

在FDTD模擬中運行掃描任務。掃描完成后，應在掃描文件夾中生成14個文件，這些文件是我們將加載到CHARGE模擬中的文件。同時FDTD中的掃描還會返回角度響應示例中討論的相同結果，以生成光學效率。

角度響應示例可參考：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042358574

生成速率和光學效率

在FDTD項目文件中，使用以下腳本行，使用上述示例中解釋的方法繪制光學效率。該腳本還將保存藍色像素下生成的電流，以便在CHARGE中進行進一步計算。

使用FDTD中的光學模擬計算光學效率(圖示藍線)。綠色像素中吸收的比例表示吸收光中的光譜串擾(圖示綠線)。腳本也計算了藍色像素下生成的電流以及功率，以進行進一步的后期處理。

在CHARGE模擬中，對象樹中添加了一個生成組，其中包含所有角度的導入生成率數據和每個角度的兩個極化。使用腳本文件cis_QE.lsf，為每個角度設置模擬，并啟用相應的生成率數據。導入生成率數據現在將擴展到四個子像素（GBGB），表示該橫截面中的平均生成率。

注意，每個角度都有兩個極化，結果是兩個極化的總和，因為導入生成對象是相加的。CHARGE模擬在DC穩態下執行，其中像素被偏置在其重置狀態（TX門開啟，RST門開啟）。這將使像素狀態保持在照明開始時（或對于持續照明的傳感器，在初始電荷積分點）預期的條件下。

對于弱照明系統，這將提供對電串擾的準確估計，同時最小化仿真復雜性。用戶參數“vdd”在模型中定義，可用于同時設置所有觸點的直流偏壓。例如下述腳本將向像素中的所有柵極和FD觸點施加3.3V偏置。

求解器區域將擴展為包含四個子像素：相鄰像素的藍色（最左側）和綠色（最右側），以及感興趣的綠色（非活動）和藍色（活動）子像素。CHARGE求解器區域具有開放（非周期性）邊界條件，通過規定沒有電荷將被傳輸穿過半導體中的邊界來強制電荷守恒。因此，模擬域的邊界應被擴展以包括相鄰的單元，使得子像素之間產生的電荷將在適當的接觸處被正確地收集。模擬域必須包括每個子像素的觸點，以正確設置系統上施加的偏置。

如果只運行一個模擬，則始終可以檢查CHARGE對象的外部光學生成率結果。

內部/外部量子效率和串擾

運行cis_QE.lsf。對于每個模擬，設置都是網狀的，并且還有一個“初始化”步驟。初始化將用于為求解器生成良好的初始猜測，這將需要大量的模擬時間。

模擬完成后，腳本的其余部分返回從每個顏色通道收集的電流，并確定串擾比例。該值表示為來自綠色和藍色通道的總電流的比例。注意，電流小于用FDTD計算的理想值：兩者的比率是內部量子效率（IQE）。結果繪制為光源角度的函數。

審核編輯：劉清