CN103487394A

CN103487394A - 一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统

Info

Publication number: CN103487394A
Application number: CN201310460538.6A
Authority: CN
Inventors: 金湘亮; 汪涵; 赵永嘉
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Shenzhen Aixiesheng Technology Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103487394B

Abstract

本发明公开了一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，包括紫外探测器、红外探测器、运算放大器和反馈元件，紫外探测器的阳极与红外探测器的阳极、运算放大器的反向输入端相连，紫外探测器的阴极与外接电源相连，紫外探测器的衬底和红外探测器的衬底均接地，红外探测器的阳极与阴极短接，并与运算放大器的反向输入端相连，运算放大器的同向输入端接共模电平，反馈元件包括反馈电阻和反馈电容，反馈电阻的一端与运算放大器的反向输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，反馈电容并接在反馈电阻的两端。本发明能够将紫外探测器接收到的可见光信息和红外信息经红外探测器的分流作用而补偿掉，实现了选择性和低噪声紫外探测。

Description

一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统

技术领域

本发明涉及一种紫外探测系统，特别涉及一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统。

背景技术

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。紫外探测技术在医学、生物学等领域有着广泛的应用，利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节，也可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、白血球、红血球、细胞核等，这种检测不但迅速、准确，而且直观、清楚。在军事上，它主要用于紫外告警、紫外通讯、紫外/红外复合制导和导弹探测等方面。随着半导体探测器技术的进步，响应不同光波段的焦平面阵列得到了快速发展。在远红外（8～14um）波段有HgCdAnTe焦平面阵列，中红外（2～5um）波段有InSb焦平面阵列，近红外（0.9～1.68um）波段有InGaAs焦平面阵列。在可见光波段有硅CCD和硅CMOS图像传感器，但是到目前还没有实用的专门用于紫外光波段的焦平面阵列，特别是能与大规模集成电路SOC集成的CMOS紫外芯片。

目前的紫外探测系统存在以下缺点：

（1）系统庞大，一般的紫外探测系统整个电路由感光器件、像素电路、放大电路、读出电路等搭接起来，至少需要三块以上的芯片获取紫外信息，通过软件和计算机技术提取有用信号进行分析，是一项大型精密综合测量仪器，集成度低，系统庞大；

（2）集成度低，驱动电路和信号处理电路难与紫外成像阵列单片集成，图像系统为多芯片系统；

（3）系统复杂，紫外探测器的控制与时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压，不能与亚微米和深亚微米的VLSI技术兼容，生产工艺复杂；

（4）功耗大，不利于便携式产品；

（5）成品率低，成本高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、能够有效的提高紫外选择性吸收和降低系统的噪声系数的单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，包括紫外探测器、红外探测器、运算放大器和反馈元件，所述紫外探测器的阳极与红外探测器的阳极、运算放大器的反向输入端相连，紫外探测器的阴极与外接电源相连，紫外探测器的衬底和红外探测器的衬底均接地，所述红外探测器的阳极与阴极短接，并与运算放大器的反向输入端相连，运算放大器的同向输入端接共模电平，所述反馈元件包括反馈电阻和反馈电容，所述反馈电阻的一端与运算放大器的反向输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，所述反馈电容并接在反馈电阻的两端。

所述红外探测器由第一光电二极管和第二光电二极管组成，第一光电二极管的阴极与第二光电二极管的阴极相连构成反向连接结构，第一光电二极管的阳极与阴极短接。

所述紫外探测器包括P型衬底，P型衬底上设有N深阱，在N深阱内设有相间的N阱和P阱，N阱和P阱内分别设有N注入区和P注入区，N深阱内所有的N注入区通过电极连接在一起，N深阱内所有的P注入区也通过电极连接在一起。

所述紫外探测器、红外探测器、运算放大器和反馈元件均设置在同一片CMOS芯片上。

所述红外探测器的感光区面积为紫外探测器感光区面积的1/15。

本发明的有益效果在于：本发明的元器件均设置在同一片CMOS芯片上，集成度高，紫外探测器的阳极与红外探测器的阳极相连，紫外探测器的阴极与外接电源相连，紫外探测器的衬底和红外探测器的衬底均接地，红外探测器的阳极与阴极短接，紫外探测器和红外探测器这种特殊的连接方式，使得紫外探测器接收到的少量的可见光信号和红外信号经红外探测器的分流作用而补偿掉，能够有效地提高紫外选择性吸收，降低了系统的噪声系数。

附图说明

图1是本发明整体的结构面板图。

图2是本发明整体的电路框图。

图3是本发明中紫外探测器和红外探测器的截面图。

图4是本发明中的单独测试紫外探测器光谱响应的电路图。

图5是本发明中测试紫外-红外互补型结构光谱响应的电路图。

图6是本发明中运算放大器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明包括：紫外探测器1、红外探测器2、运算放大器3和反馈元件4，四个部分均制作在同一片硅基5上，其中运算放大器3为折叠式共源共栅运算放大器，其中紫外探测器感光面积大约为红外探测器感光面积的15倍，特定的面积比例可以实现较好的紫外选择性吸收以及较低的噪声系数。

如图2所示，紫外探测器的阳极与红外探测器的阳极、运算放大器的反向输入端相连，紫外探测器的阴极与外接电源V_BIAS相连，紫外探测器的衬底和红外探测器的衬底均接地，所述红外探测器的阳极与阴极短接，并与运算放大器的反向输入端相连，运算放大器的同向输入端接共模电平V_in，所述反馈元件包括反馈电阻R和反馈电容C，所述反馈电阻R的一端与运算放大器的反向输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，所述反馈电容C并接在反馈电阻的两端,反馈电阻R=10MΩ，反馈电容C=1pF。虚线框6为紫外探测器的等效电路模型，相当于上下两个光电二极管的对接；虚线框7为红外探测器的等效电路模型，同样相当于两个光电二极管的对接，第一光电二极管的阳极与运算放大器的反向输入端相连，第二光电二极管的阴极与第一光电二极管的阴极相连，第二光电二极管的阳极（衬底）接地，不同的地方在于红外探测器等效电路结构中上面的光电二极管是短接的，即第一光电二极管阳极与阴极对接；当有光照射时，紫外探测器接收到的紫外光部分信息、少量的红外信息和少量的可见光信息通过节点A读出，接收到的可见光部分的信息通过节点B流向地，红外探测器接收的红外光部分信息和可见光部分信息均经节点B流向地，见图2中箭头所指示的电流流向。由于紫外探测器和红外探测器这种特殊的连接方式，使得紫外探测器接收到的少量的可见光信息和红外信息经红外探测器的分流作用而补偿掉，实现选择性和低噪声紫外探测。过滤后的光电流通过一个折叠式共源共栅运算放大器和反馈电阻、反馈电容来实现电流到电压的转换以及信号的放大。

如图3所示,紫外探测器包括p-sub8、N深阱-NWD9、P+衬底10、N+阴极12、N阱14、P+阳极16和P阱18；N深阱-NWD9内的结构为虚线框内结构的重复，层次关系如上所述；N深阱-NWD9内所有的P+阳极接在一起构成紫外探测器的阳极，所有的N+阴极接在一起构成紫外探测器的阴极。红外探测器包括p-sub8、N深阱9、P+衬底11、N+阴极13、N阱15、P+阳极17和P阱19。紫外探测器的阳极16与红外探测器的P+阳极17、N+阴极13短接在一起，紫外探测器的N+阴极12接外接电源，紫外探测器的P+衬底10接地；红外探测器的P+衬底11接地。该紫外探测器的制作方法如下：

1)在P型硅衬底上注入一层N深阱，对应图中9；

2)P型硅衬底上注入一个P⁺掺杂区，对应图中10；

3）在N深阱内相间注入P阱和N阱，对应图中18，14；

4)在P阱内进行离子注入，退火，激活，形成P⁺阳极，对应图中16；在N阱内注入N+掺杂区，构成N+阴极，对应图中12；

5)在器件的上表面生长一层氧化层；

6）用与器件结构对应的掩膜版作为光刻掩膜版，分别光刻掉P+阳极和N+阴极上的氧化层；

7)通过蒸发镀铝膜的方法在器件表面生成一层铝层；

8）光刻，得到衬底、阴极和阳极。

红外探测器的制作方法与紫外探测器类似，不再多描述。

如图4所示，测试电路包括：紫外光电二极管UV20、高精度电流计A21、多晶硅电阻器R22，其中高精度电流计A21可测到nA级别，这里用到的是普朗克常数测量仪。紫外光电二极管UV20的阴极（p衬底）接高电平V_PD，阳极（p+区域）接高精度电流计A21一端，高精度电流计A21与电阻R22串联，且电阻R22另一端接地，测试的光电流I_ph直接从高精度电流计A21读出。其中，V_PD=9V，R=1KΩ。

该电路的测试原理是：当有光照时，连接好测试电路，用高精度电流计A21读出此刻的光电流I_ph。通过改变入射光的波长（200-1100nm），分别读出各波长时对应的光电流I_ph，最后整理数据并作出相应的曲线图，即为紫外光电二极管的光谱响应图。

如图5所示，测试电路包括：紫外光电二极管UV20、高精度电流计A21、红外光电二极管IR23、多晶硅电阻器R₁24、R₂25，其中高精度电流计A21可测到nA级别，这里用到的是普朗克常数测量仪。高精度电流计A21与电阻R₂25串联，二者再同红外光电二极管IR23并联，其中红外光电二极管IR23阳极（p+）区域与电阻R₂25的结合点接地，高精度电流计A21与红外光电二极管IR23阴极（p衬底）的结合点与紫外光电二极管UV20阳极（p+区域）相接，紫外光电二极管UV20的阴极（p衬底）与电阻R₁24串联，电阻R₁24另一端接高电平V_PD。即相当于高精度电流计A21与电阻R₂25串联再与红外光电二极管IR23并联，最后再与紫外光电二极管UV20和电阻R₁24串联。测试的光电流I_ph直接从高精度电流计A21读出。其中，V_PD=16V，R₁=20KΩ，为保证V_IR两端电压为1-2V（给予其与系统中相似的环境），R₂>1MΩ。

该电路的测试原理是：当有光照时，流经紫外光电二极管UV20的光电流被红外光电二极管IR23滤掉一部分后再流过高精度电流计A21并读出。即我们读出的电流为I_UV-I_IR的值，且体现了紫外-红外互补型结构通过红外补偿来提高紫外选择性的特点。通过改变入射光的波长（200-1100nm），分别读出各波长时对应的光电流

最后整理数据并作出相应的曲线图，即为紫外-红外互补型光电二极管的光谱响应图。

如图6所示，VIN+、VIN-分别为折叠式共源共栅运算放大器的同向输入端和反向输入端，IBIAS为基准电流源。M1-M4和M13、M14、M17、M18分别构成两对共源共栅电流镜，其作用在于将基准电流IBIAS镜像到共源共栅运放的尾电流源，共源共栅电流镜的采用可以提高提高镜像电流的精确度，提高该运算放大器的共模输入范围。M9和M10构成PMOS差分输入对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰。M5-M8、M11、M12、M15、M16作负载用，两个电阻的作用是调节节点电压用。M19为共源放大器，M20为其提供恒定偏置电流同时作为输出负载，且M19为跨导级，将差分电压信号转换为电流，而M20再将此电流信号转换为电压输出。相位补偿电路由一个7pF的密勒补偿电容和一个宽长比为2:2的PMOS管构成，其中PMOS管工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿实现频率补偿，使整个探测系统工作稳定。

Claims

1.一种单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，其特征在于：包括紫外探测器、红外探测器、运算放大器和反馈元件，所述紫外探测器的阳极与红外探测器的阳极、运算放大器的反向输入端相连，紫外探测器的阴极与外接电源相连，紫外探测器的衬底和红外探测器的衬底均接地，所述红外探测器的阳极与阴极短接，并与运算放大器的反向输入端相连，运算放大器的同向输入端接共模电平，所述反馈元件包括反馈电阻和反馈电容，所述反馈电阻的一端与运算放大器的反向输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连，所述反馈电容并接在反馈电阻的两端。

2.如权利要求1所述的单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，其特征在于：所述红外探测器由第一光电二极管和第二光电二极管组成，第一光电二极管的阴极与第二光电二极管的阴极相连构成反向连接结构，第一光电二极管的阳极与阴极短接。

3.如权利要求1所述的单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，其特征在于：所述紫外探测器包括P型衬底，P型衬底上设有N深阱，在N深阱内设有相间的N阱和P阱，N阱和P阱内分别设有N注入区和P注入区，N深阱内所有的N注入区通过电极连接在一起，N深阱内所有的P注入区也通过电极连接在一起。

4.如权利要求1所述的单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，其特征在于：所述紫外探测器、红外探测器、运算放大器和反馈元件均设置在同一片CMOS芯片上。

5.如权利要求1所述的单芯片集成紫外-红外互补型紫外探测系统，其特征在于：所述红外探测器的感光区面积为紫外探测器感光区面积的1/15。