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關于CMOS傳感器的串擾和量子效率仿真方法

2023年01月11日 10:29 Ansys 光電大本營 作者: 用戶評論(0

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。

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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:

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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。

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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。

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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。

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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。

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