温度对4管像素结构CMOS图像传感器性能参数的影响

王 帆， 李豫东， 郭 旗， 汪 波， 张兴尧

(1. 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室， 新疆电子信息材料与器件重点实验室， 中国科学院 新疆理化技术研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院大学， 北京 100049)



温度对4管像素结构CMOS图像传感器性能参数的影响

王 帆1,2， 李豫东1*， 郭 旗1， 汪 波1,2， 张兴尧1,2

(1. 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室， 新疆电子信息材料与器件重点实验室， 中国科学院 新疆理化技术研究所， 新疆 乌鲁木齐 830011；2. 中国科学院大学， 北京 100049)

为了对4管像素结构CMOS图像传感器的空间应用提供可靠性指导，对4管像素结构的CMOS图像传感器进行了-40～80 ℃的变温实验，着重分析了样品器件的转换增益、满阱容量、饱和输出和暗电流等参数随温度的变化规律。实验结果表明，随着温度的升高，样品器件的转换增益从0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,饱和输出从4 030 DN下降到3 396 DN，并且暗电流从22.9 e·pixel-1·s-1增长到649 e·pixel-1·s-1。其中器件转换增益的减小应主要归因于载流子迁移率随温度升高而下降使得像素后端读出电路增益降低；饱和输出的降低则是因为转换增益的降低，因为转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响。

CMOS图像传感器； 转换增益； 满阱容量； 暗电流； 温度

1 引 言

相比于电荷耦合元件(Charge-coupled device,CCD)图像传感器，互补金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor，CMOS)图像传感器有着低功耗、充足的设计资源和制造工艺成本低等优势。而且近些年随着半导体工艺和CMOS图像传感器技术的发展，尤其4管像素在采用了钳位二极管(Pinned photo diode,PPD)和相关双采样(Correlated double sampling,CDS)技术后，4管CMOS图像传感器的成像性能已经可以比拟CCD图像传感器[1-3]。尽管在寻找更加完美的成像质量过程中，图像传感器设计师提出了各种各样的像素结构，但掩埋型光电二极管4管结构图像传感器是迄今为止最成功的商业产品，也是目前主流的APS像素结构。

近些年，CMOS图像传感器在空间领域的应用越来越广泛，涉及对地观测、遥感成像和星敏感器等星图采集功能,其中以在星敏感器中的应用研究报道最多[4]。然而对应用于空间环境中的成像器件而言，空间中较大的温度梯度是影响其性能的一个十分重要的因素。因为太空中是通过辐射来完成热传递的，因此空间飞行器的太阳直射面温度可到 110 ℃左右，而其背阳面却可低至-180 ℃[5]。因此，空间飞行器可能会在运行期间经受各种环境温度。为了保证星载设备的正常运行，增加飞行器的在轨可靠性，通常要求宇航级电子器件可以在较宽的温度范围内正常工作，例如-50～120 ℃。

国外较早地开展了针对于空间应用的图像传感器温度实验，Hopkins等[6]研究了温度对CCD图像传感器转移效率(Charge transfer efficiency，CTE)的影响，结果表明，冷却CCD可以很好地改善CCD因空间辐照而造成的CTE下降，因为辐照产生的陷阱在低温下可以有效地被冻结以保证长时间被填充。Goiffon等[7]进行了3管像素结构CMOS图像传感器的温度和辐照实验，实验结果表明，温度越高，图像传感器的随机电码(Random telegraph signal，RTS)噪声幅度越大且频率越高。Sirianni[8]对哈勃望远镜的在轨数据进行了分析，结果表明，在较低温度下也可以得到与常温相同的热像素退火速率。以上大部分工作都是关于CCD或是性能较差的3管像素结构CMOS图像传感器技术，且研究内容多集中在图像传感器的暗场响应，而对更高性能的4T像素结构CMOS图像传感器的光响应，尤其是饱和输出和满阱容量(Full well charge，FWC)等的温度效应研究甚少。

国内仅对CCD图像传感器开展了一些温度研究工作。雷仁方[9]研究了钳位CCD暗电流和暗电流非均匀性随温度的变化关系，实验结果表明，钳位CCD可以有效地减小器件的暗电流。相较于普通CCD，其暗电流和暗电流非均匀性大大减小，因此可以在更高环境温度下工作。目前尚未有关于4管像素结构CMOS图像传感器的温度研究报道。本文通过4管像素结构CMOS图像传感器的-40～80 ℃的变温实验，获得了器件的温度变化规律，并分析了传感器功能参数随温度变化的物理机理，为4管像素结构CMOS图像传感器的空间应用提供了指导。

2 实 验

实验样品为某国产科学级CMOS图像传感器，该器件制造工艺为0.18 μm专用 CIS(CMOS Image Sensor)工艺。它的分辨率为400万像素，读出噪声小于2个电子，且具有高于96 dB的动态范围。它的像元尺寸为11 μm× 11 μm，像元设计采用4管像素结构，如图1所示。在像素信号读出之前，复位值先被采样。这是因为在4管像素结构中，信号载流子的产生区和转换区分开，分别在钳位二极管和浮置扩散(Floating diffusion,FD)进行，这样就可以使复位值和像素信号在同一帧内采样，实现真正意义的相关双采样，从而达到了消除像素复位噪声的目的，极大地提升了4管CMOS图像传感器的成像性能[10]。

图1 4管像素单元结构

Fig.1 Cross sectional view of a 4T pinned photodiode (PPD) pixel

温度实验是在中国科学院新疆理化技术研究所的爱斯佩克EQ-02KA高低温实验箱中进行的。实验的温度范围为-40～80 ℃, 测试点分别为-40，-20，20，50，80 ℃。温度实验示意图如图2所示，使用专门的高低温实验板，使得传感器驱动电路可以放在高低温实验箱外，以避免温度对驱动电路造成影响。测试时被测样品器件的可编程增益(Programmable gain amplifier，PGA)选择为最低增益(该款器件的最低PGA增益为0.66倍增益)。

图2 温度实验示意图

3 结果与讨论

3.1 转换增益随温度的变化

转换增益的意义是每个有效光电子使得输出图像灰度值的增量，它的单位为DN/e，可以通过测试光子转移曲线(Photo transfer curve,PTC)线性区斜率得到[11]。对于CMOS图像传感器而言，高增益意味着低噪声和较低的满阱容量，而低增益有着较高的噪声但满阱容量较大。图3给出了样品器件的转换增益随温度的变化情况。从图中可以看出，样品器件的转换增益随温度升高有下降的趋势。

图3 不同温度下的转换增益

CMOS图像传感器的工作原理是将光电二极管产生的光电子转换成电压信号经过降噪放大后由模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)转换为数字量(灰度值)[10]。由此可知，转换增益主要是由像素后端的MOSFET读出电路增益所决定。MOSFET读出电路增益与MOSFET在饱和区的跨导密切相关，MOSFET工作在饱和区时的跨导gm可以表示为：

(1)

3.2 满阱容量及饱和输出随温度的变化

4管像素的满阱容量即其像素单元光电二极管对光生电子的最大容纳能力。其表达式为：

KFWC=(Vpinning-Vblooming)×CPPD，

(2)

其中Vpinning是PPD的钳位电压,是TG开启时埋层N区内所能达到的最高电势；Vblooming是光电二极管的溢出电压值，代表TG关闭后像素满阱瞬间达到的最低电势；CPPD是光电二极管PPD的电容。满阱容量是图像传感器的重要参数，更大的满阱容量可以使传感器拥有更高的动态范围，更高的信噪比。可以说，满阱容量的大小决定了传感器成像的整体性能。根据之前所说工作原理，CMOS图像传感器的饱和输出即为器件的满阱容量乘以器件的转换增益，因此可以知道饱和输出由转换增益和满阱容量共同来决定。测试时先通过器件的光响应曲线得到器件的饱和输出，然后用饱和输出除以器件的转换增益就可以得到器件的满阱容量[11]。

器件的光响应曲线如图4所示，可以看到器件的饱和输出随温度升高而逐渐下降。图5为器件满阱容量随温度的变化关系，随着温度的增加，器件满阱容量下降。因为式(2)中Vpinning和Vblooming只与器件工艺参数和偏置有关，因此可以排除温度对它们的影响，只有CPPD与温度有关。CPPD结电容包含了地面结电容和侧壁结电容两部分，其表达式如式(3)、(4)所示：

CPPD=CAA+CPP，

(3)

其中CA、CP分别为单位底面积和单位侧壁面积的结电容；A、P分别为上下面面积和侧壁面积；ε0是真空中介电常数，εSi是硅中介电常数；ND是N型掺杂浓度，NA是P型掺杂浓度；Vbi是PPD内建电势；V是加在PPD上的电压值。

图4 不同温度下器件的光响应曲线

图5 满阱容量随温度变化图

但实验结果发现，满阱容量随着温度的升高而下降。这是因为我们是通过饱和输出计算得到的满阱容量，而转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响，因此导致实验测得的满阱容量随着温度的升高而下降。

3.3 暗电流随温度的变化

暗电流即像素在没有光照的条件下由于各类缺陷(界面缺陷和体缺陷)的存在而自发产生且被光电二极管所吸收的电子所形成的电流, 像素暗电流的单位是e·pixel-1·s-1。如图6所示，温度较低时，随着温度的升高，暗电流缓慢增加；当温度较高时，暗电流随温度急剧增大。像素暗电流主要由以下3个部分组成：体内PN结反偏电流Jgen、衬底扩散电流Jdiff、表面产生复合电流Jsurf。总的暗电流Jd可以表达为：

(5)

式(5)中，3项分别代表体内PN结反偏电流Jgen、衬底扩散电流Jdiff和表面产生复合电流Jsurf[13]。其中W是耗尽层宽度，q是电荷，ni是本征载流子浓度，τg为载流子产生寿命，Dn为电子扩散系数，S0为表面产生速率。因为在温度较低时，Jsurf≫Jgen≫Jdiff，因此低温时表面产生复合电流占主导，而表面产生复合电流与T3/2成正比，所以此时暗电流随温度升高得不是很快；当温度较高时，衬底扩散电流急剧增加，超过反偏电流和表面产生复合电流成为总暗电流的主要来源，占据支配地位。这是因为衬底扩散电流具有较高的温度依赖性，它与T3成正比[9,13]，所以在温度较高时，CMOS图像传感器的暗电流会随温度的升高而急剧地增大。

图6 暗电流随温度变化图

4 结 论

对4管像素结构的CMOS图像传感器进行了从-40～80 ℃的变温实验，实验结果表明，随着温度的升高，样品器件的转换增益从0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,饱和输出从4 030 DN下降到3 396 DN，并且暗电流从22.9 e·pixel-1·s-1增长到649 e·pixel-1·s-1。通过对比分析满阱容量和转换增益的实验结果，认为转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响，因此饱和输出的降低是因为转换增益的降低而导致的。由于像素暗电流主要由PN结反偏电流、衬底扩散电流、表面产生复合电流这3种电流组成，且低温下表面产生复合电流占主导，而表面产生复合电流与T3/2成正比，所以此时暗电流随温度升高得不是很快；当温度较高时，衬底扩散电流成为总暗电流的主要来源，而它与T3成正比，所以在温度较高时，CMOS图像传感器的暗电流会随温度升高而剧烈增大。本文研究了4管像素结构CMOS图像传感器的光场和暗场下性能参数随温度的变化关系，为今后高性能4管像素结构CMOS图像传感器在空间中的应用提供了可靠性指导。

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Temperature Effects on Performance Parameters in 4T CMOS Image Sensor

WANG Fan1,2, LI Yu-dong1*, GUO Qi1, WANG Bo1,2, ZHANG Xing-yao1,2

(1.KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesUnderSpecialEnvironments,ChineseAcademyofSciences,XinjiangKeyLaboratoryofElectricInformationMaterialsandDevices,XinjiangTechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:lydong@ms.xjb.ac.cn

In order to provide a reliable guidance for the spatial application of the 4T CMOS image sensor, temperature effects on 4T active pixel sensor CMOS image sensor from -40 ℃ to 80 ℃ were presented. The influences of temperature on conversion gain, full well charge, saturated output and dark current of the device were investigated. The experiment results show that the conversion gain of device decreases from 0.026 54 DN/e to 0.023 79 DN/e, the saturated output decreases from 4 030 DN to 3 396 DN, and the dark current increases from 22.9 e·pixel-1·s-1to 649 e·pixel-1·s-1with the temperature increasing. The decrease of conversion gain should be attributed to the decrease of the carrier mobility with the temperature increasing. The decrease of saturation output is mainly because of the decrease of the conversion gain which the influence of the conversion gain on saturated output is greater than that of the full well capacity with the change of temperature.

CMOS image sensor; conversion gain; full well charge; dark current; temperature

王帆(1990-)，男，内蒙古呼和浩特人，硕士研究生，2014年于电子科技大学获得学士学位，主要从事CMOS图像传感器的空间辐射效应的研究。

E-mail: wangfan13@mails.ucas.ac.cn

李豫东(1982-)，男，新疆伊犁人，研究员，硕士生导师，2009年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事光电材料与器件空间辐射效应方面的研究。

E-mail: lydong@ms.xjb.ac.cn

1000-7032(2016)03-0332-06

2015-11-18；

2015-12-14

国家自然科学基金(11005152)资助项目

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/fgxb20163703.0332