CN114896927B - 一种不同光强对辐照后cmos图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，该方法确定氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态作为TCAD软件中电离效应模型的输入参数，通过实验获得γ射线辐照后的暗电流曲线，在对氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态进行电学校准，获得三种缺陷与累积剂量之间的比例因子，建立CMOS图像传感器像素单元电离辐射效应模型，再在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，然后在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用光注入模型，再设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的变化曲线，获得满阱容量，再调用电离辐射效应模型，改变光强，模拟相同累积剂量下，不同光强对满阱容量的影响。本发明可以直观地看出不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量的影响。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器像素单元仿真技术领域，具体涉及一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法。
背景技术
互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器的满阱容量代表可存储在光电二极管势阱内的最大电荷量，是衡量CMOS图像传感器感光能力的重要指标。对于多位数字图像传感器，当光强足够大或曝光时间足够长的情况下，图像的灰度值总会达到一个定值，即满阱容量。
之前关于满阱容量的研究中，很少考虑满阱容量与不同光强之间的关系。但从最近的研究中发现，光强对满阱容量存在极大的影响。不同的光强对应不同的满阱容量，则不考虑光强的情况下得到的满阱容量和由满阱容量确定的动态范围等参数的评估结果都可能存在极大的误差。根据光照强度与满阱容量之间的关系，可进一步研究光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量退化行为的作用机制，为CMOS图像传感器抗辐照设计提供理论基础。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，该方法首先确定氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态作为TCAD软件中CMOS图像传感器像素单元电离效应模型的输入参数，模拟不同累积剂量下的暗电流曲线，然后开展辐照实验获得γ射线辐照到不同累积剂量的CMOS图像传感器的暗电流曲线，利用γ射线辐照实验结果对氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态进行电学校准，获得上述三种缺陷与累积剂量之间的比例因子，建立CMOS图像传感器像素单元电离辐射效应模型，再在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态，然后在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用光注入模型，实现光产生过程的模拟，再设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量，最后调用电离辐射效应模型，改变光强，模拟相同累积剂量下，不同光强对满阱容量的影响。本发明可以直观地看出不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量的影响。
本发明所述的一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，按下列步骤进行：
a、确定氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态作为TCAD软件中CMOS图像传感器像素单元电离效应模型的输入参数，模拟不同累积剂量下的暗电流曲线；
b、暗场条件下，选定积分时间，利用经过γ射线辐照后的CMOS图像传感器获取10帧暗场图像RAW格式并保存；
c、计算10帧暗场图像的平均灰度值；
d、改变积分时间，重复步骤b和c,得到不同积分时间下所采集图像的平均灰度值；
e、画出暗场下图像平均灰度值随积分时间变化的曲线，该曲线拟合直线的斜率除以图像传感器的转换增益即为暗电流；
f、重复步骤b-e，得到γ射线辐照到不同累积剂量的CMOS图像传感器的暗电流曲线；
g、将步骤f得到的γ射线辐照实验结果对氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态进行电学校准，调节氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子，直到模拟不同累积剂量下的暗电流曲线和实验得到的不同累积剂量下的暗电流曲线趋势一致时，此时得到最终的氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子；
h、将步骤g得到的比例因子建立CMOS图像传感器像素单元电离辐射效应模型；
i、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
j、在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用TCAD软件中的Ray Tracing光注入模型，实现光产生过程的模拟；
k、设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量；
l、调用电离辐射效应模型，改变光强，模拟相同累积剂量下，不同光强对满阱容量的影响，得到不同光强对γ射线辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟。
本发明所述的一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，该方法中在TCAD软件仿真环境是指TCAD软件中的仿真环境，采用准直光源入射，设置参数X.ORIGIN和Y.ORIGIN，确定光源的位置；参数ANGLE，指定光束相对于X轴的传播方向；参数MIN.WINDOW和MAX.WINDOW共同指定光线的入射范围，在Atlas模块中，光束会根据器件的几何形状，在指定的入射范围内自动分割成一系列的光线；
光注入模型是调用TCAD软件中的Ray Tracing模型，通过公式(1)-(5)实现光产生过程的模拟；模型中光产生速率G，即硅中的电子-空穴对的产生速率表示为：
P为射线强度因子，包含了反射、透射，以及光线路径上的材料吸收造成的损伤。η0是内量子效率，表示每个光子产生的载流子对的数目，y是射线的相对距离，h是普朗克常数，λ是波长，c是光速。α为吸收系数，k为光折射率的虚部；
仿真过程中，将G耦合到泊松方程，电流连续性方程中，对相应网格点处的光强和载流子浓度进行瞬态求解：
式中ψ为静电势，ε为Si介电常数，ρ为局部空间电荷密度。局部空间电荷密度是所有移动电荷和固定电荷的总和，包括电子、空穴和电离杂质。n和p是电子和空穴浓度,q是单位电荷量，Jn、Jp是电子和空穴电流密度,μn和μp为电子和空穴迁移率，Dn和Dp分别是电子和空穴扩散系数。nie为有效本征载流子浓度，TL为晶格温度。
本发明所述的一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，适用于任意型号CMOS图像传感器辐照前后满阱容量的测试，并可以直观地看出不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量的影响。
因此本发明适用于需要掌握辐照后CMOS图像传感器性能的器件研制单位、科研院所和航天载荷单位使用。
附图说明
图1为本发明暗电流曲线实验结果与仿真结果比较图，其中线条(1)为暗电流曲线实验结果，线条(2)为暗电流曲线仿真结果；
图2为本发明不同累积剂量下满阱容量随光强变化的曲线图，其中线条(a)为光强175mW/cm2时，不同累积剂量下的满阱容量，线条(b)为光强220mW/cm2时，不同累积剂量下的满阱容量，线条(c)为光强290mW/cm2时，不同累积剂量下的满阱容量。
具体实施方式
实施例
a、确定氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态作为TCAD软件中CMOS图像传感器像素单元电离效应模型的输入参数，模拟不同累积剂量下的暗电流曲线，如图1中线条(2)所示；
b、暗场条件下，选定积分时间，利用经过γ射线辐照后的CMOS图像传感器(型号为CMV4000，分辨率为2048×2048，像素尺寸为5.5μm×5.5μm)获取10帧暗场图像RAW格式并保存；
c、计算10帧暗场图像的平均灰度值；
d、改变积分时间，重复步骤b和c,得到不同积分时间下所采集图像的平均灰度值；
e、画出暗场下图像平均灰度值随积分时间变化的曲线，该曲线拟合直线的斜率除以图像传感器的转换增益即为暗电流；
f、重复步骤b-e，得到γ射线辐照到不同累积剂量的CMOS图像传感器的暗电流曲线，如图1中线条(1)所示；
g、将步骤f得到的γ射线辐照实验结果对氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态进行电学校准，调节氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子，直到模拟不同累积剂量下的暗电流曲线和实验得到的不同累积剂量下的暗电流曲线趋势一致时，此时得到氧化物陷阱电荷与辐照累积剂量之间的比例因子为0.7×108e-/rad、类施主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子为1×108e-/rad,类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子0.6×108e-/rad(缺陷能级为0.6eV)；
h、将步骤g得到的比例因子建立CMOS图像传感器像素单元电离辐射效应模型；
i、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
j、TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，设置参数X.ORIGIN和Y.ORIGIN，确定光源的位置；参数ANGLE，指定光束相对于X轴的传播方向；参数MIN.WINDOW和MAX.WINDOW共同指定光线的入射范围，在Atlas模块中，光束会根据器件的几何形状，在指定的入射范围内自动分割成一系列的光线。光入射后，调用光注入模型(Ray Tracing模型)，通过公式(1)-(5)实现光产生过程的模拟；
模型中光产生速率G，即硅中的电子-空穴对的产生速率表示为：
P为射线强度因子，包含了反射、透射，以及光线路径上的材料吸收造成的损伤。η0是内量子效率，表示每个光子产生的载流子对的数目。y是射线的相对距离，h是普朗克常数，λ是波长，c是光速。α为吸收系数，k为光折射率的虚部；
仿真过程中，将G耦合到泊松方程，电流连续性方程中，对相应网格点处的光强和载流子浓度进行瞬态求解：
式中ψ为静电势，ε为Si介电常数，ρ为局部空间电荷密度。局部空间电荷密度是所有移动电荷和固定电荷的总和，包括电子、空穴和电离杂质。n和p是电子和空穴浓度,q是单位电荷量，Jn、Jp是电子和空穴电流密度,μn和μp为电子和空穴迁移率，Dn和Dp分别是电子和空穴扩散系数。nie为有效本征载流子浓度，TL为晶格温度；
k、设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量；
l、调用电离辐射效应模型，改变光强，模拟相同累积剂量下，不同光强对满阱容量的影响，实现了不同光强对γ射线辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的模拟，如图2所示。
通过本发明所述方法，可以直观地看到不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量的影响，便于分析光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量退化行为的作用机制，进一步得到改善辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量的方法；还可以通过仿真模拟氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态的缺陷能级、浓度等参数对暗电流的影响，揭示辐照对CMOS图像传感器像素单元暗电流的微观影响机理。利用本发明提出的仿真方法可以揭示实验看不到的微观机理，分析实验现象背后的本质，为CMOS图像传感器抗辐照设计提供强有力的理论基础。
以上所述，仅为本发明所述的一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (1)
1.一种不同光强对辐照后CMOS图像传感器像素单元满阱容量影响的仿真方法，其特征在于按下列步骤进行：
a、确定氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态作为TCAD软件中CMOS图像传感器像素单元电离效应模型的输入参数，模拟不同累积剂量下的暗电流曲线；
b、暗场条件下，选定积分时间，利用经过γ射线辐照后的CMOS图像传感器获取10帧暗场图像RAW格式并保存；
c、计算10帧暗场图像的平均灰度值；
d、改变积分时间，重复步骤b和c，得到不同积分时间下所采集图像的平均灰度值；
e、画出暗场下图像平均灰度值随积分时间变化的曲线，该曲线拟合直线的斜率除以图像传感器的转换增益即为暗电流；
f、重复步骤b-e，得到γ射线辐照到不同累积剂量的CMOS图像传感器的暗电流曲线；
g、将步骤f得到的γ射线辐照实验结果对氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态进行电学校准，调节氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子，直到模拟不同累积剂量下的暗电流曲线和实验得到的不同累积剂量下的暗电流曲线趋势一致时，此时得到最终的氧化物陷阱电荷、类施主型界面态和类受主型界面态与辐照累积剂量之间的比例因子；
h、将步骤g得到的比例因子建立CMOS图像传感器像素单元电离辐射效应模型；
i、在CMOS图像传感器像素单元曝光阶段开始之前，对钳位光电二极管进行复位，设置传输栅栅压为0V，使光电二极管处于积累状态；
j、在TCAD软件仿真环境中采用准直光源入射，调用TCAD软件中的Ray Tracing 光注入模型，实现光产生过程的模拟；
k、设置固定光强，采用瞬态模拟，提取钳位光电二极管中的光生载流子数目随积分时间的变化曲线，获得满阱容量；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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