采用碳化硅CMOS技术实现片上集成64像素紫外图像传感器
2022-10-29 22:07:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

紫外（UV）光谱可分为UV-A（315~400 nm）、UV-B（280~315 nm）和UV-C（200~280 nm）频段。由于敏感光谱带宽很宽，因此，采用传统硅基技术进行可靠的紫外光电探测而不受其他光谱带影响，仍然具有挑战性。虽然存在可用于紫外光谱的硅光电探测器，但也对可见光敏感。

或者，基于绝缘体上硅（SOI）或超浅结的实现方式也可以探测紫外光，它们利用了传输更长波长的光的薄膜。此外，紫外选择性可以通过使用差分法等读出方法实现。通过使用宽带隙材料作为衬底，半导体的敏感光谱带宽可以降至更短的波长。不仅如此，它们还具有在深紫外或高温环境中应用的潜力。

下表给出了一系列宽带隙材料及其特性。需要注意的是，激发波长与材料的带隙成反比，因此应采用宽带隙的材料构建对深紫外选择性敏感的光电探测器。将这些衬底中构建的探测器与片上电路相结合，理想情况下需要互补型器件。

半导体材料参数及其特性概览表

凭借低功耗工作优势，片上读出的常用电路技术为CMOS。当考虑广泛使用的CMOS技术时，电子和空穴迁移率之比应接近1，并且对于快速器件，绝对迁移率值应较高。需要注意的是，电子和空穴迁移率之间的比率存在显著差异，这将对有源器件的性能和互补型器件的匹配产生负面影响。从这个角度来看，金刚石是目前最好的选择，其次是碳化硅（SiC）。

过去几十年来，碳化硅一直是电力电子领域以及恶劣环境传感和紫外探测器等应用的热门材料。业界对基于碳化硅的光电探测器进行了非常广泛的研究，利用它可以制造性能卓越的可见盲紫外探测器。

多年来，这项技术取得了长足的进步，例如，有报道紫外线指数监测演示板和紫外成像仪等。关于老化效应的可靠性研究也展示了可喜的结果，显示出器件性能几乎没有变化。下图展示了最广泛采用的半导体光电探测器剖面结构，包括光电导体、肖特基、金属-半导体-金属、PN结、PIN结和雪崩光电二极管。这些不同类型半导体光电探测器的工作原理非常相似，都依赖于最基本的光电效应。

几种不同类型半导体光电探测器剖面示意图

已有报道的研究给出了针对特定波长的响应度。所有器件的峰值响应度都接近300 nm波长。另一种很有前途的奇异拓扑是石墨烯基碳化硅肖特基光电二极管，达到了极高的响应度值。此外，还有报道在光电二极管顶部集成微透镜等附加元件，以提高外部量子效率，从而提高响应度。已给出的光电探测器之前都没有集成片上读出电路。

近十年来，已证明在碳化硅中实现集成低压电路是可行的，尽管这些技术的可及性仍然有限。目前正在开发的最有前景的技术是瑞典KTH开发的一种用于高温和恶劣环境的BJT技术，被称为HOTSiC，以及德国弗劳恩霍夫集成系统和设备技术研究所（IISB）开发的一种4H-SiC CMOS。

后者具有使用互补型器件设计的完整能力，而BJT技术是仅具有上拉电阻的NPN。弗劳恩霍夫IISB已经展示了可以与CMOS制造技术兼容的紫外光电探测器。然而，目前唯一已有报道的碳化硅光电系统是由Hou等人在瑞典KTH利用BJT技术实现的。该系统包含256个可寻址像素，1959个晶体管，工作条件为8.25 W和7.7 mHz。

基于弗劳恩霍夫IISB的6 μm 4H-SiC CMOS技术制造的多项目4英寸碳化硅器件晶圆

据麦姆斯咨询介绍，荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）微电子学院的Joost Romijn等研究人员近日报道了碳化硅中的首次片上CMOS光电集成，利用紫外光电探测器和CMOS读出电路在弗劳恩霍夫IISB的6 μm 4H-SiC技术中，构建了一款64像素图像传感器。并报道了三种光电探测器实施方案，显示出优异的晶圆级良率和一致性。

光电二极管设计

像素电路设计

其中一款光电探测器方案可用于紫外图像传感器，基于之前一项类似的硅基CMOS技术研究，以及先前报道的碳化硅基本CMOS电路模块。所报道的碳化硅光电系统是迄今为止碳化硅中实现器件数量最大的之一，具有8 x 8（64）光电探测像素和1263个晶体管，并具有串行数字、模拟或2位ADC输出选项。

在4H-SiC中集成读出电路的64像素紫外图像传感器显微照片

紫外光电子器件在火焰探测、卫星、天文学、紫外摄影和医疗保健领域都有应用。这种光电系统的复杂性为恶劣环境的微控制器等新应用打开了大门。

延伸阅读：

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》