0.   引言

长期以来，CCD（Charge Coupled Device）图像传感器一直是400~900 nm波段的主要成像器件，近年来一些新型传感器逐步进入实用阶段，其中包括EMCCD（Electron Multiplying CCD）图像传感器，它与普通CCD不同之处是在串行读出寄存器后增加了固态电子倍增结构，信号电荷在进入读出放大器前先进行倍增放大，因此EMCCD可不受读出噪声的限制^[1]，再通过高效制冷措施抑制暗电流噪声，灵敏度得以大幅提高。常规EMCCD强信号进入倍增通道使得倍增寄存器易饱和，图像表现出“拖尾”现象，同时也会缩短器件寿命。虽然Eric G Stevens等人提出倍增相下采用单氧化层介质可以消除增益老化效应^[2]，但由于倍增寄存器电荷容量限制，常规EMCCD适合暗弱低动态成像环境。

国外20世纪90年代开始EMCCD研制，2001年E2V推出第一款背照帧转移EMCCD产品，随后陆续推出多款产品，2014年Onsemi推出第一款采用非破坏性浮栅放大器的高动态EMCCD（KAE-02150）。国内2010年开始常规EMCCD研制，本文首次将非破坏性浮置栅放大器引入到EMCCD，使得信号电荷包选择性路由至输出通道，强信号电荷包选择性路由至非倍增通道，不受倍增通道电荷容量限制，大幅提高EMCCD动态范围。

1.   结构设计

芯片设计参数如下：

芯片结构：内线转移；

有效像元数：1024×1024；

像元尺寸：10 μm（H）×10 μm（V）；

像元占空比：43.5%；

左右暗像元数：8；

上下暗像元数：24；

抗晕倍数：≥150；

非破坏性浮置栅放大器具备阈值选通功能。

1）整体架构设计

芯片整体架构如图 1所示，采用内线转移CCD结构，光敏区有效像元数为1024×1024元，像元尺寸10 μm（H）×10 μm（V），上下左右各8个缓冲像元，左右各24位暗像元，上下各14行暗参考行。

图  1  器件整体架构及版图

Figure  1.  Block diagram and layout of the device

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信号读出区域包含首次制作的浮置栅放大器VOUT₁、非倍增输出通道VOUT₂、倍增输出通道VOUT₃构成的双通道选通结构，其结构示意图如图 2。

图  2  非倍增/倍增双通道选通结构示意图

Figure  2.  Routing process of the non-multiplying and multiplying channels

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入射光在光敏区产生光生电荷后，光生电荷按照传统CCD读出方式转移至片上非破坏性浮置栅放大器VOUT₁，该放大器在不破坏电荷包完整性的前提下检测信号电荷包的大小，浮置栅放大器的检测值与测试电路中设定的阈值比较，以确定各个光生电荷包的路由位置：浮置栅放大器的检测值小于阈值，该像元的电荷包则路由至倍增输出通道VOUT₃，浮置栅放大器的检测值大于阈值，该像元的电荷包则路由至非倍增输出通道VOUT₂^[3]。有了这种场景内可切换增益特性，两种输出的信号可以通过算法进行图像融合，实现高动态成像显示，工作原理框图如图 3所示。

图  3  器件工作原理框图

Figure  3.  Flow chart of the device working principle

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2）非破坏性浮置栅放大器设计

浮置栅放大器结构见图 4，为便于对比，图 4中同时也给出了浮置扩散放大器，浮置栅放大器与浮置扩散放大器最大区别在于光生电荷存储位置不同：途经浮置栅放大器的光生电荷存储在多晶硅制作的浮置栅所形成的势阱之中，完成电荷电压转换后，存储在浮置栅势阱之中的光生电荷不会被复位至电源漏端，光生电荷信号完整性不会被破坏，可以继续路由至相应通道输出；途经浮置扩散放大器的光生电荷存储在PN结形成的电容之中，完成电荷电压转换后，存储在PN结电容的光生电荷被复位至电源漏端，光生电荷信号读出完成。

图  4  浮置栅放大器以及浮置扩散放大器结构示意图

Figure  4.  Diagram of the floating gate amplifier and floating diffusion amplifier

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浮置栅放大器版图如图 5所示，浮置栅放大器由浮栅FG、周围的控制电极H2S、OG1、浮置栅势阱信号转出栅H2X以及常规源跟随放大器相连接构成浮置栅放大器。非破坏性浮置栅放大器复位栅RG1在栅电极H2X之前偏置在高电平，使得浮置栅偏置在恒定的电平，当信号电荷填充浮置栅势阱时，使得浮置栅电势发生变化，根据公式^[4]：

图  5  浮置栅放大器版图

Figure  5.  Layout of the floating gate amplifier

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式中：Q是电荷包电量；C是浮置栅电容，通过上述公式可以计算出对应光生电荷电量产生的电压，此电压与测试电路中的阈值比较，确定各个光生电荷信号的路由位置，光生电荷信号通过浮置栅放大器传输过程如图 6所示：A过程，光生电荷信号存储在水平CCD存储相H1S势阱之中；B过程，存储在H1S势阱之中的光生电荷信号转移至H2S势阱之中，H2X处于高电平，转移出浮置栅FG中存储的上一帧信号，浮置栅势阱处于空阱状态，以备下一帧信号存储；C过程，复位脉冲RG1复位浮置栅，使得浮置栅处于一恒定的电平，即图 6(b)中VOUT1输出波形所示的参考电平；D过程，光生电荷信号转移至浮置栅FG，光生电荷信号填充浮置栅FG势阱，转化为图 6(b)中VOUT1输出波形所示的光生电荷信号电平。

图  6  光生电荷通过非破坏性浮置栅放大器传输

Figure  6.  Process and timing diagram of signal transfering through the floating gate amplifier

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在驱动脉冲设计时，栅电极H2X把存储在浮置栅下的信号转移出来，重点关注以下两点：①非破坏性浮置栅放大器复位栅RG1脉冲宽度至少与栅电极H2X一样；②栅电极H2X脉冲上升沿与水平CCD势阱相H1S下降沿相对位置影响电荷转移，如果栅电极H2X脉冲上升沿来的太快，有可能导致信号倒流。

光生电荷信号通过浮置栅放大器转化为电压信号后，该电压信号与驱动电路设置的阈值比较，光生电荷信号经输出选通栅H2SW2、H2SW3实现路由：当光生电荷信号转化的电压信号低于某一设定电压值时，H2SW2关闭，H2SW3开启，光生电荷信号路由至倍增输出VOUT3；当光生电荷信号转化的电压信号高于某一设定电压值时，H2SW3关闭，H2SW2开启，光生信号路由至非倍增输出VOUT2，实现光生电荷信号选择性通过非倍增/倍增通道输出，输出选通栅H2SW2、H2SW3以及浮置栅放大器版图如图 7所示。

图  7  输出选通栅H2SW2、H2SW3版图

Figure  7.  Layout of the routing gate H2SW2 and H2SW3

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3）像元架构设计

为了实现器件在强光应用场合的抗光晕功能，器件像元采用了内线转移CCD纵向抗晕设计，像元架构示意图如图 8所示，器件基于N型衬底制作，纵向抗晕结构由光电二极管n型层、p阱以及N型衬底构成，光电二极管n型层作为穿通晶体管的发射极，p阱作为基极，n型衬底作为集电极。过剩光生载流子进入衬底形成穿通电流，实现器件纵向抗晕功能^[5-8]。

图  8  像元架构及版图

Figure  8.  Structure and layout of the pixel

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2.   器件制作

器件采用6 in、最小特征尺寸0.5 μm工艺制作，衬底采用电阻率4~7 Ω⋅cm的N型(100)硅。采用两层多晶硅和两次金属工艺，第一次金属用作电极，第二次金属用作垂直CCD挡光。图 9为制作了昼夜兼容EMCCD的晶圆，器件有效像素为1024×1024元，像素尺寸为10 μm×10 μm，芯片尺寸为12.84 mm×12.23 mm；采用两级半导体制冷封装器件，如图 10所示。

图  9  昼夜兼容EMCCD的晶圆

Figure  9.  Wafer of the day and night EMCCD

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图  10  制冷封装的昼夜兼容EMCCD

Figure  10.  Peltier pack of the day and night EMCCD

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3.   器件性能

1）浮置栅放大器性能测试

图 11(a)为浮置栅放大器输出波形，可以看出其输出波形与前面浮置栅放大器设计一致，图 11(b)所示为浮置栅放大器饱和输出曲线，饱和幅度为196.5 mV，图 11(c)为浮置栅放大器CVF曲线，其电荷转换因子CVF为3.57 μV/e^-，满阱55 ke^-，浮置栅放大器性能测试表明该放大器工作正常^[9]。

图  11  浮置栅放大器性能测试

Figure  11.  Performance of the floating gate amplifier

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2）场景内可切换增益特性

如图 12(a)场景内可切换增益成像演示，开启场景内可切换增益功能时，图 12(a)中较亮像素来自倍增通道输出，其余像素来自非倍增通道输出，器件具备场景内可切换增益特性。

图  12  图像融合效果

Figure  12.  Images of the intra-scene switchable gain

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融合后的图像在亮暗交界区来自两个输出通道，如不经过图像处理，直接将两通道信号合成到一幅图像中，亮暗交界区会存在不平滑现象，如图 12(a)所示。一般图像融合时会根据倍增通道的倍增倍数对非倍增通道信号匹配系数，经过系数匹配后的图像在亮暗交界区是平滑的，如图 12(b)所示。

3）器件纵向抗晕性能

器件纵向抗晕性能测试如图 13所示，图 13(a)为临界饱和时光斑成像，光斑尺寸为50像素×50像素；图 13(b)为增大光强至100倍临界饱和状态时光斑成像，此时光斑尺寸为50像素×69像素，相比于临界饱和时光斑垂直方向尺寸，此时光斑扩展了19个像素；图 13(c)为增大光强至200倍临界饱和状态时光斑成像，此时光斑尺寸为50像素×88像素，相比于临界饱和时光斑垂直方向尺寸，此时光斑扩展了38个像素，按照光斑扩展两倍要求^[10]，此时扩展像素小于50像素，表明器件抗晕倍数优于200倍。

图  13  器件抗晕性能测试

Figure  13.  Anti-blooming performance of the device

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4）阈值设置

该器件最佳阈值设置是在两抽头信噪比相等时，此时阈值设置值S如式(2)：

式中：S为信号电子数；δ为噪声电子数（假定两输出抽头读出噪声相同）；G为倍增增益，取值一般10倍以上，因此有：

EMCCD适用场景是1~100 e^-之间，因此需将将噪声控制在10 e^-以内。考虑到浮置栅放大器的噪声，一般阈值设置值是浮置栅放大器噪声3倍以上^[11]。

该器件倍增输出抽头和非倍增输出抽头噪声约60 e^-左右，按照(3)式计算的最佳阈值设置值为3600 e^-。按照该最佳阈值，经过倍增寄存器的电子数过多，易导致倍增寄存器老化。因此还需要进一步优化设计，降低噪声。

4.   结论

本文研制了一款昼夜兼容成像EMCCD图像传感器，该器件具备片上非破坏性输出浮置放大器，可无损检测通过的信号电荷包的大小，将检测结果传递至阈值判定电路，决定该像元电荷包是否经由倍增通道输出，实现像元级路由选通功能。该设计弥补了常规帧转移EMCCD光动态低的缺点，具有常规CCD无法达到的微光灵敏度，可用于昼夜兼容成像。按照最佳阈值设置理论，该器件输出噪声过大，还需要进一步优化。