CN109212400B - 光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，包括：步骤1，设光电二极管的上表面在光照条件下只有一小孔可进行透光，光照t0时间内小孔所对应光电二极管处所产生的光生电荷为E0，光生电荷E0的转移距离为L0，光生电荷E0在所述悬浮扩散节点中所对应的电压值为ΔV0；步骤2，依次将小孔朝远离悬浮扩散节点的方向进行移动，且每次小孔移动后，光照t0时间内小孔所对应光电二极管处所转移的光生电荷为Ei，光生电荷Ei在所述悬浮扩散节点中所对应的电压值ΔVi，直至小孔移动至光电二极管上表面的边缘为止；步骤3，通过公式
得到光电二极管内部光生电荷转移效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法。
背景技术
光生电荷的转移效率是半导体器件的一个重要评价指标，在CMOS图像传感器领域，由于光电二极管内部电势平坦，电荷转移主要是通过扩散运动进行，加上电荷传输沟道还可能会存在势垒和势阱等问题，降低了光生电荷的转移效率，从而会导致图像拖尾的问题。尤其是对应用于激光雷达接收系统的光电二极管而言，光生电荷的转移效率将直接影响到器件的响应速度和测量精度，也是光电二极管尺寸大小优化过程中的一个重要考虑因素。
CMOS图像传感器的像素单元中，当传输栅接通后，光生电荷由耗尽层向悬浮扩散节点的转移主要是通过扩散运动进行，转移速度较慢。为了加快电荷的转移，往往采用非均匀掺杂或外加电场的方式产生调制电场，加速电荷的横向转移，两种工艺的重要评价指标即为电荷的转移效率，该数据将对光电二极管的尺寸优化和调制电场的优化方面起到重要的指导作用。
然而，目前对于电荷转移效率的评价多是通过对像素单元内部的电场分布进行仿真这种间接的方式进行，或者在整个器件制备完成后进行成像测试，两种方式中，由于制备过程复杂影响因素众多，理想状态下的仿真结果无法反应所制备像素单元的真实性能；而对于器件的测试评价不但延长了开发周期，而且会导致耗费大量的人力物力，不利于产品的开发和生产监控。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，解决现有技术中无法进行非仿真状态下电荷转移效率计算的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，所述光电二极管内部的光生电荷需转移至悬浮扩散节点，测试环境为暗室，包括以下步骤：
步骤1，设光电二极管的上表面在光照条件下只有一小孔可进行透光，在能量为E的光源下，光照t0时间内所述小孔所对应光电二极管处所产生的光生电荷为E0，光生电荷E0的转移距离为L0，光生电荷E0在所述悬浮扩散节点中所对应的电压值为ΔV0；
步骤2，依次将小孔朝远离悬浮扩散节点的方向进行移动，且每次小孔在进行移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，所述小孔所对应光电二极管2处在t1时间内转移的光生电荷为Ei，所述转移的光生电荷Ei在所述悬浮扩散节点中所对应的电压值ΔVi，i＝1,2,3...,N，N为大于等于1的自然数，直至小孔移动至光电二极管2上表面的边缘为止；
步骤3，通过式(1)得到光电二极管内部光生电荷转移效率ηi：
其中，ΔVi为t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点中所对应的电压值；ΔV0为光生电荷E0在悬浮扩散节点中所对应的电压值。
进一步地，通过式(2)得到所述光生电荷E0在悬浮扩散节点中所对应的电压值ΔV0：
ΔV0＝Vrst-Vmax (2)
其中，Vrst为未进行移动前，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点中所对应的电压值；Vmax为未进行移动前，光生电荷充分转移后悬浮扩散节点中所对应的最大电压值。
进一步地，通过式(3)得到距离移动后t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点中所对应的电压值ΔVi：
ΔVi＝Vrsti-Vi (3)
其中，Vrsti为第i次移动后，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点中所对应的电压值；Vi为第i次移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，在t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点中所对应的电压值。
进一步地，所述小孔为正多边形。
进一步地，所述光电二极管的上表面覆盖有不透光挡板，所述不透光挡板上上设有透光小孔。
进一步地，所述光电二极管中包括电荷收集区，所述电荷收集区中的光生电荷转移至悬浮扩散节点，所述悬浮扩散节点和电荷收集区之间设有传输栅。
进一步地，所述悬浮扩散节点中的光生电荷通过源跟随器获取对应的电压值。
进一步地，还包括复位器，用于将电荷收集区或悬浮扩散节点中的光生电荷进行抽尽操作。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明通过暗室环境下只让光电二极管上有一个小孔透光，其余部分均无法接收入射光，光电二极管只有在小孔所对应的位置处才会在光照条件下产生光生电荷，由于越靠近悬浮扩散节点的光生电荷能够有越快的转移速度，受到的干扰越小，转移至FD中的电荷越能代表实际产生的光生电荷。故靠近悬浮扩散节点区域在足够的转移时间后转移至悬浮扩散节点的电荷即可表示所产生的光生电荷。将小孔沿远离悬浮扩散节点的方向进行设置，这样不同位置处产生的光生电荷转移效率可通过相同光照强度和光照时间下，不同位置产生光生电荷在相同转移时间内的转移量来得到光电二极管内不同区域的电荷转移效率。
附图说明
图1是本发明的工作过程示例一；
图2是本发明的工作过程示例二；
图3是本发明的工作过程示例三；
图4是本发明等效电路示意图；
图5是本发明中传输栅和复位器的调制信号示意图；
图6是悬浮扩散节点中所对应电压值随时间的变化曲线示意图；
图7是光生电荷转移效率随转移距离的变化示意图。
图中各个标号的含义为：1-不透光挡板，101-透光小孔，2-光电二极管，201-电荷收集区，202-传输栅，203-悬浮扩散节点，3-测试电路。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是如图1所示，本申请中的光生电荷的转移方向为图1中从左至右的方向。
本发明中的测试环境中除了光源再无其他光照，为暗室环境。以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例
如图1、2和3所示，本实施例提供了一种光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，光电二极管2内部的光生电荷需转移至悬浮扩散节点203，包括以下步骤：
步骤1，设光电二极管2的上表面在光照条件下只有一小孔可进行透光，在能量为E的光源下，光照t0时间内小孔所对应光电二极管2处所产生的光生电荷为E0，光生电荷E0的转移距离为L0，光生电荷E0在所述悬浮扩散节点203中所对应的电压值为ΔV0；
步骤2，依次将小孔朝远离悬浮扩散节点203的方向进行移动，且每次小孔在进行移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，小孔所对应光电二极管2处在t1时间内转移的光生电荷为Ei，转移的光生电荷Ei在所述悬浮扩散节点203中所对应的电压值ΔVi，i＝1,2,3...,N，N为大于等于1的自然数，直至小孔移动至光电二极管2上表面的边缘为止；
步骤3，通过式(1)得到光电二极管内部光生电荷转移效率ηi：
其中，ΔVi为t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点203中所对应的电压值ΔVi；ΔV0为光生电荷E0在悬浮扩散节点203中所对应的电压值。
所述光源为单色光或非单色光。
本实施例通过只让光电二极管2上有一个小孔透光，其余部分均无法接收入射光，这样光电二极管2只有在小孔所对应的位置处才会在光照条件下产生光生电荷，由于越靠近悬浮扩散节点203的光生电荷能够有越快的转移速度，受到的干扰越小，越能代表实际产生的光生电荷。故本实施例通过靠近悬浮扩散节点203区域在足够的转移时间后转移至悬浮扩散节点的电荷来表示所产生的光生电荷。通过将小孔沿远离悬浮扩散节点203的方向进行设置，这样不同位置处产生的光生电荷转移效率，可通过相同光照强度和光照时间下不同位置产生光生电荷在相同转移时间内的转移量来得到光电二极管内不同区域电荷转移效率。
具体地，本实施例通过式(2)得到所述光生电荷E0在悬浮扩散节点203中所对应的电压值ΔV0：
ΔV0＝Vrst-Vmax (2)
其中，Vrst为未进行移动前，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点203中所对应的电压值；Vmax为未进行移动前，光生电荷充分转移后悬浮扩散节点203中所对应的最大电压值。
本实施例通过式(3)得到距离移动后t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点203中所对应的电压值ΔVi：
ΔVi＝Vrsti-Vi (3)
其中，Vrsti为第i次移动后，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点203中所对应的电压值；Vi为第i次移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，在t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值。
光电二极管上设置的透光小孔可为圆形、正方形、正多边形等，由于尺寸很小，为便于激光开孔优选为正多边形。
本发明中可通过多种结构使得光电二极管上表面不透光，例如通过不透光布进行遮挡，或者在暗盒中进行测试，本实施例的光电二极管2的上表面覆盖有不透光挡板1，不透光挡板上1上设有透光小孔101。
同理，该透光小孔101为正多边形。
本实施例通过提前准备多个形状、尺寸相同的不透光挡板1，该不透光挡板1和光电二极管2的形状、尺寸相匹配，且沿远离悬浮扩散节点203的方向不同挡板上设置透光小孔101的位置不同，每次通过更换不透光挡板1实现小孔位置的移动，简单易行。
其中，光电二极管2包括电荷收集区201，电荷收集区201中的光生电荷转移至悬浮扩散节点203，悬浮扩散节点203和电荷收集区201之间设有传输栅202。
本实施例中透光小孔的位置便设置在电荷收集区201上，优选地，本实施例将透光小孔设置在电荷收集区201的中线位置处，这样方便计算光生电荷转移的距离。
具体地，悬浮扩散节点203中的光生电荷通过源跟随器获取对应的电压值。
本实施例还包括复位器，用于将电荷收集区201或悬浮扩散节点203中的光生电荷进行抽尽操作。
如图4所示为本发明的等效电路示意图，当传输栅VTX闭合时，光电二极管中的电荷转移至悬浮扩散节点FD，并存储在悬浮扩散节点FD中，悬浮扩散节点FD中存储电荷的电压值可通过源跟随器SF进行读取，若复位开关VRST闭合后，电源VDD对悬浮扩散节点FD中存储的电荷进行抽尽操作；当传输栅VTX和复位开关VRST同时闭合后，电源VDD对电荷收集区中产生的电荷进行抽尽操作。
本发明的具体工作过程如下所述：
在暗室环境下进行测试，测试步骤：
步骤一，用开孔区域靠近悬浮扩散节点FD的挡板遮盖待测的光电二极管，电荷转移的距离为L0，传输栅、复位器同时导通，对电荷收集区中产生的光生电荷进行抽尽，即复位操作；
步骤二，打开光源进行曝光，曝光时长为t0；
步骤三，对悬浮扩散节点FD进行复位后通过源跟随器SF读取悬浮扩散节点FD中的电压Vrst；
步骤四，关断光源，并同时打开传输栅TX，测试FD中电压随时间的变化曲线，获得电压的最大值Vmax，即为光生电荷全部转移至悬浮扩散节点FD时所对应的电压值，则ΔV0＝Vrst-Vmax即表征了曝光能量为E，曝光时长为t0时开孔区域产生的总的光生电荷；
步骤五，更换为开孔区域距悬浮扩散节点FD的距离增长的遮挡板遮盖待测的光电二极管，电荷转移的距离为L1，L1大于L0，传输栅、复位器同时导通，对电荷收集区进行复位；
步骤六，打开光源进行曝光，曝光时长同样为t0，光源能量为E；
步骤七，对FD进行复位后通过源跟随器SF读取FD中的电压Vrst1；
步骤八，关断光源，并同时打开传输栅TX，t1时长后关断，测试FD中电压值V1，ΔV1＝Vrst1-V1即表征了t1时长内转移的电荷量，对应电荷转移距离为L1时的转移效率即为
步骤九，采用开孔区域距悬浮扩散节点FD的距离不同的遮挡板遮盖待测的光电二极管，重复步骤六至步骤八，根据以下公式得到不同转移距离Li对应的电荷转移效率ηi。其中，
Claims (6)
1.一种光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，所述光电二极管(2)内部的光生电荷需转移至悬浮扩散节点(203)，其特征在于，测试环境为暗室，包括以下步骤：
步骤1，设光电二极管(2)的上表面在光照条件下只有一小孔可进行透光，在能量为E的光源下，光照t0时间内所述小孔所对应光电二极管(2)处所产生的光生电荷为E0，光生电荷E0的转移距离为L0，光生电荷E0在所述悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值为ΔV0；
步骤2，依次将小孔朝远离悬浮扩散节点(203)的方向进行移动，且每次小孔在进行移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，所述小孔所对应光电二极管(2)处在t1时间内转移的光生电荷为Ei，所述转移的光生电荷Ei在所述悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值ΔVi，i＝1,2,3...,N，N为大于等于1的自然数；
步骤3，通过式(1)得到光电二极管内部光生电荷转移效率ηi：
其中，ΔVi为t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值；ΔV0为光生电荷E0在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值；
通过式(2)得到所述光生电荷E0在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值ΔV0：
ΔV0＝Vrst-Vmax (2)
其中，Vrst为未进行移动前，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值；Vmax为未进行移动前，光生电荷充分转移后悬浮扩散节点(203)中所对应的最大电压值；通过式(3)得到距离移动后t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值ΔVi：
ΔVi＝Vrsti-Vi (3)
其中，Vrsti为第i次移动后，电荷开始转移前的时刻进行复位后悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值；Vi为第i次移动后，在能量为E的光源下光照t0时间后，在t1时间内转移的光生电荷Ei在悬浮扩散节点(203)中所对应的电压值。
2.根据权利要求1所述的光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，其特征在于，所述小孔为正多边形。
3.根据权利要求1所述的光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，其特征在于，所述光电二极管(2)的上表面覆盖有不透光挡板(1)，所述不透光挡板上(1)上设有透光小孔(101)。
4.根据权利要求1或3所述的光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，其特征在于，所述光电二极管(2)中包括电荷收集区(201)，所述电荷收集区(201)中的光生电荷转移至悬浮扩散节点(203)，所述悬浮扩散节点(203)和电荷收集区(201)之间设有传输栅(202)。
5.根据权利要求1或3所述的光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，其特征在于，所述悬浮扩散节点(203)中的光生电荷通过源跟随器获取对应的电压值。
6.根据权利要求1或3所述的光电二极管内部光生电荷转移效率的测试方法，其特征在于，还包括复位器，用于将电荷收集区(201)或悬浮扩散节点(203)中的光生电荷进行抽尽操作。
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