白雪平，鄭 渝，李 金，劉 芳，陳于偉，汪朝敏

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512×512元幀轉(zhuǎn)移EMCCD圖像傳感器

白雪平，鄭 渝，李 金，劉 芳，陳于偉，汪朝敏

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060）

采用埋溝、三層多晶硅、兩次金屬工藝，研制出正照EMCCD器件。器件的像元尺寸16mm×16mm。器件在－20℃下工作，讀出頻率10MHz，倍增增益可達(dá)1000倍以上，探測(cè)靈敏度5×10－4lx。

EMCCD；幀轉(zhuǎn)移；倍增增益；探測(cè)靈敏度

0 引言

EMCCD是20世紀(jì)90年代后發(fā)展起來(lái)的一種微光成像器件，該器件配有特殊的讀出寄存器——倍增寄存器，它對(duì)經(jīng)過(guò)倍增寄存器的信號(hào)電荷包進(jìn)行放大，確保讀出噪聲不再限制微光探測(cè)[1]。EMCCD技術(shù)又稱為“片上增益”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)增益達(dá)1000倍以上，是一種新的微弱光信號(hào)增強(qiáng)探測(cè)技術(shù)。

本文介紹了中國(guó)電科四十四所研制的512×512元幀轉(zhuǎn)移EMCCD的結(jié)構(gòu)、工藝及器件性能，該器件可用于微光成像探測(cè)。

1 基本工作原理

EMCCD和普通CCD不同之處是在水平寄存器和讀出放大器之間增加一串倍增寄存器，倍增寄存器利用碰撞電離效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電子的倍增放大[2]，信號(hào)電子在到達(dá)讀出放大器前得到倍增放大，使得放大器讀出噪聲不再是限制CCD成像靈敏度的重要噪聲源。

幀轉(zhuǎn)移EMCCD結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括光敏區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平寄存器、倍增寄存器和讀出放大器。

圖1 幀轉(zhuǎn)移EMCCD結(jié)構(gòu)示意圖

倍增寄存器電極結(jié)構(gòu)如圖2所示。1、3由標(biāo)準(zhǔn)幅值時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)（約10V），dc為直流相（約2V），2為倍增相，所加的電壓遠(yuǎn)比僅僅用于轉(zhuǎn)移電荷的電壓高很多（約30～40V），2和dc之間大的電壓差產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)強(qiáng)度（約105V/cm量級(jí)）足以使電子在轉(zhuǎn)移過(guò)程中發(fā)生“撞擊離子化效應(yīng)”，產(chǎn)生新的電子，即所謂的倍增或增益[3]。增益大小取決于電離率在倍增區(qū)內(nèi)的積分，由下式表示：

式中：()為單級(jí)倍增增益，為倍增電場(chǎng)寬度，如圖3所示；(x)為離化率，受電場(chǎng)影響，由下式表示：

式中：A、b為經(jīng)驗(yàn)值。

圖2 倍增寄存器電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 電子倍增過(guò)程示意圖

從公式(1)、(2)看出，電離率取決于電場(chǎng)大小，電場(chǎng)大小取決于倍增電壓。倍增電壓越大，電場(chǎng)越強(qiáng)，增益越大。由于晶格散射作用影響，對(duì)于給定的電場(chǎng)，電離率隨溫度增加而減少。因此增益還受溫度影響，溫度越低，增益越大[3]。電離率的溫度特性取決于電子平均自由程的溫度特性，溫度越低，電子平均自由程越長(zhǎng)，電離率越大。由于影響因素較多，如禁帶寬度、載流子有效質(zhì)量等，增益和溫度的關(guān)系復(fù)雜，很難用公式表示[4]。Peter Seitz等在文獻(xiàn)中給出了EMCCD單級(jí)增益和溫度的經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

式中：為電荷包經(jīng)過(guò)單級(jí)倍增后的離化率；為時(shí)間的函數(shù)（比如由柵介質(zhì)電荷引起的增益隨時(shí)間的退化）；為溫度；D為倍增相2高電平和直流相dc電平的差值；、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

一般EMCCD單級(jí)增益（1＋）很小，在1.01～1.015之間，經(jīng)過(guò)多級(jí)倍增后，總增益會(huì)變得非?？捎^，有下式：

式中：為倍增級(jí)數(shù)。倍增級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)一般在400～600之間，總增益可達(dá)上千倍。

公式(3)、(4)給出了增益與溫度、倍增電壓的關(guān)系。溫度越高，增益越??；D越大，增益越大。一般通過(guò)調(diào)節(jié)2高電平來(lái)調(diào)節(jié)增益。

對(duì)Si基IMPATT二極管而言，雪崩響應(yīng)時(shí)間很短，小于1×10－13s。雪崩增益越低，建立雪崩過(guò)程的時(shí)間越短[3]。因此對(duì)EMCCD來(lái)說(shuō)，單級(jí)增益遠(yuǎn)小于IMPATT二極管的雪崩增益，因此EMCCD單級(jí)倍增延遲遠(yuǎn)小于1×10－13s，相對(duì)于電子的漂移擴(kuò)散時(shí)間，基本可以忽略不計(jì)，因此電子倍增基本不影響EMCCD轉(zhuǎn)移頻率。

由于電子倍增過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，具有起伏特性，所以EMCCD在對(duì)信號(hào)電子倍增放大的同時(shí)，引入了額外的噪聲源——噪聲因子，根據(jù)Robbins和Hadwen的噪聲因子公式[6]：

由公式(5)可以看出，在倍增級(jí)數(shù)已定的情況下，隨著增益G的增大，噪聲因子趨于21/2，如圖4所示。

不考慮時(shí)鐘感生電荷對(duì)信噪比影響，EMCCD信噪比公式[7]：

式中：為信號(hào)量；為總噪聲；D為暗信號(hào)噪聲；R為放大器噪聲。因此，EMCCD等效噪聲為：

一般所說(shuō)的EMCCD噪聲是等效噪聲，從公式中看出，EMCCD可以通過(guò)倍增產(chǎn)生的增益抑制放大器噪聲在總噪聲中的比重，使得放大器讀出噪聲可以忽略不計(jì)。EMCCD正是利用這一優(yōu)勢(shì)提高信噪比，在信號(hào)電子低于放大器噪聲電子數(shù)的時(shí)候同樣可以被檢測(cè)到。同時(shí)EMCCD倍增過(guò)程產(chǎn)生的噪聲因子放大了光子散粒噪聲和暗電流噪聲，為了提高微光探測(cè)靈敏度，利用制冷將暗電流降低到可以忽略不計(jì)的程度，從而達(dá)到極限信噪比為(/2)1/2（為信號(hào)量），也就是所謂的量子效率折半[7]。

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

器件整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，光敏區(qū)512×512有效像元，左右各12位暗像元，上下各8行暗像元，像元尺寸16mm×16mm，存儲(chǔ)區(qū)536×528位，水平寄存器536位，倍增寄存器536位。放大器采用兩級(jí)源跟隨放大器。

圖5 512×512元幀轉(zhuǎn)移EMCCD結(jié)構(gòu)示意圖

像元結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用兩相轉(zhuǎn)移，MPP模式。存儲(chǔ)區(qū)結(jié)構(gòu)和光敏區(qū)結(jié)構(gòu)相同，采用兩相轉(zhuǎn)移。水平區(qū)采用三相結(jié)構(gòu)。

倍增寄存器為了和水平轉(zhuǎn)移時(shí)序保持一致，設(shè)計(jì)了三相轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)，如圖2所示，4個(gè)電極1、dc、2、3。其中1、3與水平區(qū)共用，dc為直流相，2為倍增相。

圖6 像元結(jié)構(gòu)示意圖

倍增寄存器每個(gè)轉(zhuǎn)移單元相當(dāng)于一個(gè)倍增單元，通過(guò)很多級(jí)倍增后，總增益可達(dá)上千倍。

倍增寄存器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮以下3個(gè)方面：

1）倍增級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)。根據(jù)EMCCD增益公式＝(1＋)，為單級(jí)增益，為倍增級(jí)數(shù)，為了保證行轉(zhuǎn)移時(shí)序的一致性并實(shí)現(xiàn)1000倍增益的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了536級(jí)倍增寄存器。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)精度達(dá)到1×10－4V量級(jí)時(shí)，總增益在1～1000范圍內(nèi)逐倍可調(diào)。

2）直流相設(shè)計(jì)。倍增寄存器設(shè)計(jì)直流相是為了在電子倍增前形成穩(wěn)定的電場(chǎng)，穩(wěn)定的電場(chǎng)是保證倍增穩(wěn)定的必要條件[8]。當(dāng)1下降沿到來(lái)的時(shí)候，電荷包經(jīng)過(guò)直流相，到達(dá)高壓電場(chǎng)，發(fā)生倍增。

3）電荷容量設(shè)計(jì)。依據(jù)埋溝電勢(shì)理論，柵壓越高，電荷包越容易到達(dá)埋溝表面[9]。倍增相電壓遠(yuǎn)高于普通CCD水平驅(qū)動(dòng)電壓，電荷包更容易到達(dá)埋溝表面。倍增寄存器設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮電荷容量，設(shè)計(jì)倍增寄存器電荷容量800ke－。

器件整體版圖結(jié)構(gòu)如下圖7所示。

圖7 器件版圖

3 器件制作

器件采用6英寸硅片、最小特征尺寸0.5mm工藝制作，襯底采用電阻率28～32Ω×cm的P型硅。采用三次多晶硅和兩次鋁，第一次鋁用作電極，第二次鋁用作擋光。器件有源區(qū)包括536×528元像素，像元尺寸為16mm×16mm，芯片尺寸為11.2mm×18.7mm，如圖8所示為制作的芯片。圖9為采用帶有兩級(jí)半導(dǎo)體制冷器的陶瓷制冷封裝管殼封裝的器件樣品，為有效散熱，采用金屬底座。

圖8 512×512元幀轉(zhuǎn)移EMCCD芯片

圖9 EMCCD制冷封裝器件樣品

4 器件性能

器件增益與倍增相電壓的關(guān)系如圖10所示，增益隨倍增電壓增加而增大，可達(dá)1000倍以上，在1～1000范圍內(nèi)逐倍可調(diào)。

圖10 增益與倍增相電壓的關(guān)系（溫度：－20℃）

圖11為器件在暗室環(huán)境下不同倍增率的成像效果。靶標(biāo)照度4.2×10－4lx，倍增率分別是1、100、200、500，信噪比分別是1.2:1、1.9:1、5.6:1、11.9:1。

圖12是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下拍攝的微光成像照片。環(huán)境照度7.8×10－4lx，距離2m。

器件性能指標(biāo)如表1所示。

5 結(jié)論

采用埋溝、三層多晶硅、兩次金屬工藝，研制出EMCCD器件，讀出噪聲降低到一個(gè)電子以下，靈敏度達(dá)5×10－4lx以下。目前正在進(jìn)行背照工藝開發(fā)，將進(jìn)一步提高器件的量子效率，提高EMCCD器件的微光成像靈敏度。

圖11 EMCCD靶標(biāo)成像效果（增益：左上：1，右上：100，左下：200，右下：500）

圖12 EMCCD實(shí)驗(yàn)室環(huán)境成像效果（倍增率依次是1、100、200、500）

表1 器件性能指標(biāo)

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A Frame Transfer EMCCD Image Sensor with 512×512 Pixels

BAI Xueping，ZHENG Yu，LI Jin，LIU Fang，CHEN Yuwei，WANG Chaomin

(44,400060,)

By using burried channel, triple-layer polysilicon, double-layer metal process, a frame transfer EMCCD image sensor with 512×512 pixels has been successfully developed in domestic for the first time. The pixel size is 16mm×16mm. At －20℃ and pixel readout frequency of 10MHz , the gain of 1000 can be achieved, and detection sensitivity reaches 5×10－4lx.

EMCCD，frame transfer，multiplication，sensitivity

TP212

A

1001-8891(2016)04-0300-05

2015-06-23；

2016-04-13.

白雪平（1982-），女，工程師，主要研究方向是CCD器件設(shè)計(jì)。