CCD MPP结构制作工艺技术研究

在1024×1024可见光电荷耦合器件(CCD)的基础上增加了MPP(Multi-PinnedPhase)结构设计和工艺制作.制得的1024×1024可见光MPP CCD实现了MPP功能,有效抑制了CCD表面暗电流的产生.当MPP注入剂量为(6±2)×10~(11)cm~(-2)时,其暗电流密度下降了2/3,满阱电荷下降了1/2.

Abstract：

Multi-Pinned Phase (MPP) structure is designed and fabricated on the base of 1024×1024 visible light CCD. The 1024×1024 visible light MPP CCD achieves MPP function and suppresses the surface dark current effectively. Its dark current density and full well capacity decrease 2/3 and 1/2, respectively, when MPP implant dose is(6±2)×10~(11) cm~(-2).     

MPP CCD扩散暗电流温度特性分析

研究了MPP CCD扩散暗电流的温度特性,分析了扩散暗电流在不同温度下对器件总暗电流的贡献和不同处理方式对评估器件高温暗电流的影响,并对此进行了实验验证。结果表明,扩散暗电流在高温下对器件总暗电流的影响很大,占据支配地位,是器件高温暗电流的主要来源。提出了两种优化方法,以降低扩散暗电流对器件高温暗电流的影响,提高MPP CCD的高温环境工作能力。     

MPP CCD暗电流温度特性研究

研究了MPP电荷耦合器件(CCD)暗电流和暗电流非均匀性的温度特性,并与非MPP CCD的暗电流和暗电流非均匀性的温度特性进行了对比分析。研究结果表明,MPP CCD抑制了表面暗电流,相较于非MPP CCD具有较低的暗电流和暗电流非均匀性,可以承受更高的工作温度。     

双重吸杂技术在CCD中的应用

采用双重吸杂硅片作为衬底材料,应用于CCD器件的研制工作已获得良好的效果。它使器件的暗电流明显下降,基本上消除了暗电流尖峰,同时也使器件的其它性能得到改善。目前,双吸除技术已作为一种常规工艺应用于CCD器件的制作。     

高帧频64×64元蓝光响应增强CCD

为了实现对快速运动目标的跟踪成像或记录其快速变化的过程,研制了一种高帧频64×64元蓝光响应增强CCD.该器件的存储区采用漏斗形结构以提高其工作频率,光敏元采用多蓝光窗口来提高其蓝光响应,衬底采用较高的电阻率50 Ω·cm从而提高了其红光响应,采用MPP技术来降低暗电流.器件的帧频为2 000 f/s,在450～900 nm波长范围的平均量子效率为45％,动态范围达到15 000∶1,暗电流为30 pA/cm2.     

硅化铂肖特基势垒红外电荷耦合器件(PtSi—SBIRCCD)的暗电流密度分析

本文主要分析硅电荷耦合器件(Si-CCD)和PtSi-SBIR CCD的暗电流来源以及降低暗电流尖峰、改善器件性能的工艺措施.     

三相三层多晶硅交叠栅结构CCD固体摄象器件

选用三相三层多晶硅交叠栅结构制作了108×100位,300×230位、512×320位面阵和1024位线阵 CCD 摄象器件。介绍了这种结构的特点、设计考虑和工艺过程,叙述了几种器件的结构原理和实验结果。制成的器件获得了每次为99.99%以上的转移效率,灵敏度大于3000μA/lm,暗电流密度小于20nA/cm~2,动态范围大于75:1。用这些器件已摄出了清晰的图象。     

一种低暗电流高响度InGaAs/InP pin光电探测器

分析了InGaAs/InP pin光电探测器暗电流和响应度的影响因素,并对MOCVD外延工艺以及器件结构进行优化,从而提高器件响应度和降低暗电流。采用低压金属有机化学气相沉积设备(LP-MOCVD)成功制备了InGaAs/InP pin光电探测器,得到了高质量的晶体材料,InGaAs吸收层的背景浓度低于4×1014 cm-3。利用扩Zn工艺制作出感光区直径为70μm的平面光电探测器。测量结果显示,在反偏电压为5 V时,暗电流小于0.05 nA,电容约为0.4 pF。此外,在1 310 nm激光的辐照下,器件的响应度可达0.96 A/W以上。     

CCD表面暗电流特性研究

针对电荷耦合器件表面暗电流的温度特性和辐照特性进行了研究。研究结果表明,在不同温度下,表面暗电流不仅是CCD总暗电流的主要来源,且是CCD暗电流非均匀性的主要影响因素;CCD栅介质的硅-二氧化硅界面态密度随辐照剂量的增加而增加,导致CCD表面暗电流显著增加,是CCD经辐照后暗电流变大的主要影响因素。     

改进器件工艺降低硅光电探测器暗电流

为降低硅光电探测器ＰＮ结反向暗电流，可在器件制作工艺中采用一系列完美晶体器件工艺（ＰＣＤＴ）。在实验过程中，对吸除工艺，应力补偿工艺等作了改进，进一步降低了反向暗电流。     

Performance analysis of a color CMOS photogate image sensor

The performance of a color CMOS photogate image sensor is reported. It is shown that by using two levels of correlated-double sampling it is possible to effectively cancel all fixed-pattern noise due to read-out circuit mismatch. Instead the fixed-pattern noise performance of the sensor is limited by dark current nonuniformity at low signal levels, and conversion gain nonuniformity at high signal levels. It is further shown that the imaging performance of the sensor is comparable to low-end CCD sensors but inferior to that reported for high-end CCD sensors due to low quantum efficiency, high dark current, and pixel cross-talk. As such the performance of CMOS sensors is limited at the device level rather than at the architectural level. If the imaging performance issues can be addressed at the fabrication process level without increasing cost or degrading transistor performance, CMOS has the potential to seriously challenge CCD as the solid-state imaging technology of choice due to low power dissipation and compatibility with camera system integration     

浮胶引起的缺陷对CCD成像的影响分析

针对大面阵CCD成像黑缺陷多的特点,从机理和制作工艺上进行了分析研究。结果表明,CCD成像黑缺陷主要由光刻工艺缺陷引起。光刻LOCOS、地和沟阻工艺中产生的浮胶是CCD成像黑缺陷的主要来源。在制作多晶硅栅过程中,光刻浮胶可产生成像黑缺陷或导致信号电荷转移问题。最后,提出了减少光刻工艺产生浮胶的方法。     

一种新的微透镜阵列制作技术

介绍了一种利用光刻、等离子体刻蚀和高温热熔等工艺在PMMA材料上制作折射微透镜的新方法,该方法具有刻蚀工艺容差大、热熔后球冠形貌好、易于和CCD实现工艺集成等优点。经过对各个工艺参数的优化实验,制备出了具有良好球冠形貌的微透镜阵列,并成功与256×256内线转移CCD完成了工艺集成,集成后微透镜阵列的整体形貌和尺寸与设计值相吻合。     

科学级光学CCD像素非均匀性的测试

像素非均匀性是CCD成像性能评价中的一个重要指标,反映的是像素结构本身的差异。传统的以灰度值为基础计算DSNU和PRNU的方法未能考虑读出电路引入的时域噪声,且计算时未剔除不同像素曝光时间不同带来的误差,计算结果也只适用于某个具体曝光量。在分析CCD信号流的基础上,厘清灰度值不均匀的影响因素。参考DSNU和PRNU的计算方法,再结合帧转移型CCD的工作方式,提出了设置多档曝光时间,每档曝光时间下采集多帧暗（亮）图像,再通过拟合求得暗电流（暗电流+光电流）后并以之为基础计算暗电流非均匀性DCNU和光电流非均匀性PCNU的方法。同时,建立CCD像素非均匀性测试系统,验证其光源的稳定性和均匀性,以排除采集图像过程中测试系统引入的时域和空间误差。在此测试系统的基础上,利用新方法测得CCD的DCNU为25.51 e-/pixels-1,PCNU为0.98%。相比于传统的DSNU和PRNU值更准确地反映了CCD像素结构的非均匀性,所得结果更具普遍适用性。     

一种硅基选择性外延生长的锗波导光探测器

制作了一种硅接触侧向PIN型Ge波导光探测器,叙述了Si基选择性Ge外延层的制作流程,介绍了Ge波导光控测器的整体结构及制作流程。对该Ge波导光探测器的响应度、暗电流、带宽等参数进行了测试。结果表明,该Ge波导光探测器在-1 V偏压下的暗电流为8.3 nA,在1 550 nm处的响应度为0.85 A/W,3 dB带宽为29 GHz。     

Optimizing the Charge Carrier Dynamics of Thermal Evaporated TexSe1-x Films for High-Performance Short-Wavelength Infrared Photodetection

Short-wavelength infrared photo-sensing materials are dominated by germanium, indium gallium arsenide, indium antimonide, and mercury cadmium telluride. However, the complex fabrication process and high production cost hinder their widespread applications. Recently, Te_xSe_1-x has shown great potential for infrared photodetection, but Te_xSe_1-x-based devices are still suffering from extremely high dark current and poor device performance. In this work, high-quality Te_xSe_1-x films are fabricated by thermal evaporation and low-temperature annealing. The optoelectronic properties of the Te_xSe_1-x thin films are systematically investigated and optimized. The absorption spectrum is carefully tuned to cover the broad range from 300 to 1600 nm by modulating the ratio of Te and Se. Photodiodes based on the optimized Te_xSe_1-x thin films are also fabricated, and achieve high responsivity, reduced dark and low noise current density, and a fast response time of <850 ns. Then, prototypical devices based on Te_0.65Se_0.35 thin films are demonstrated for optical communications, indicating the great potential for next-generation, low-cost short-wavelength infrared photodetection.