应用于图像传感器的高响应率、宽动态范围Si基光探测器关键技术研究

针对采用传统Si基探测器的图像传感器弱光性能不好、动态范围窄的缺点，提出了一种高响应率、宽动态范围的新结构Si基穿通效应增强型光探测器。器件采用复合结构，由穿通区和光吸收区两部分构成，既可降低暗电流和散粒噪声，又可在弱光下获得极高的响应率，导致对外围电路噪声不敏感，有利于弱光探测；输出信号与光强之间呈准对数关系，强光下不易饱和，具有极宽的光强探测范围。同时，提出将液晶光阀与研制的Si基穿通效应增强型光探测器相集成，成为一种系统级器件，具有自斩波功能，对于极弱光可方便地利用相关原理测量，进一步提高系统信噪比。新结构器件采用标准CMOS工艺，非常适合图像传感器应用，将具有极低的最小可探测光强和非常宽的动态范围，可广泛应用于工业、科研、军事、生物医学等领域。本项目对实现这种新结构探测器的关键科学问题和技术，包括增益、暗电流、噪声、动态范围等特性，以及系统集成和相关原理测量进行深入研究。

采用传统光电二极管的CMOS图像传感器存在着弱光性能不好、动态范围窄的缺点，在本项目中，研究了应用于图像传感器的高响应率、宽动态范围的光电探测器关键技术。实现了一种穿通增强光电晶体管（PEPT），其制备工艺与商业标准CMOS工艺完全兼容，不需要任何特殊工艺步骤。该晶体管在强光下不易饱和，使其非常适合于高动态范围图像传感器，弱光下具有极高的光电响应率，在1V偏压及4.45×10-3W/cm2光功率密度下，光生电流大于100nA，光电响应率高达1.87×107A/W。同时，深入分析了PEPT器件的工作机理，对器件暗电流、光电流等参数进行了计算和分析，理论分析结果与实际测试结果符合的较好。针对PEPT器件提出一种新型恒流源偏置架构，进而提出一种适用于CMOS图像传感器应用的恒流源工作模式。采用这种工作模式，图像传感器系统不需使用任何辅助放大器，就可以得到1.3V的输出电压摆幅，可探测光强动态范围宽达140dB，工作电压可低至1.8V。本项目的研究结果非常适合于低工作电压、宽动态范围、高像素密度CMOS图像传感器应用，可广泛引用于科研、军事、生物医学等领域。