基于标准CMOS工艺的UV/blue光电探测器

基于UMC 0.18μm CMOS工艺,提出一种适合紫外/蓝光探测的探测器,该器件由栅体互联的NMOS晶体管和横向/纵向光电二极管构成.其中,浅结的光电二极管由UMC工艺中Twell层(浅P阱)和Nwell层形成,以增强其对紫外/蓝光的吸收,栅体互联的NMOS晶体管可以放大光电流,提高探测器的灵敏度和动态范围.仿真结果表明,本文设计的紫外/蓝光探测器具有低的工作电压和暗电流,对300~550nm波长范围的光具有高的响应度和宽的动态范围.在弱光条件下(光强小于1μW/cm2),响应度优于105 A/W,随着光强增大,响应度逐渐降低,但总体仍超过103 A/W.

吸收增强的光栅型金属-半导体-金属光电探测器的优化设计

针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求,本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象,提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法,详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响,证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言,探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580,91,360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比,本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容,有望在可见光通信芯片中得到实际应用。

高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势,进而控制NMOS管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD,选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400～700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED作为光源,当输出光功率密度P_(opt)=5 mW/cm^2、漏源偏压V_(DS)=0.4 V时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过10~3A/W.与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.