新闻动态

News Center

Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法

发布日期:
2023-02-17

浏览次数:


01 说明


在CMOS传感器中,光和电都可能引入串扰,是由于输入光的波动性质、不完美的滤色片以及光学叠层中的对准失配等,一些光将渗入相邻的子像素,在硅中产生电荷。此外,从目标子像素中吸收的光产生的电荷也可以扩散到相邻子像素中,并由相邻阱收集。


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法



02 综述


在光学模拟中,该方法将遵循吸收功率的方法(参见2D示例),FDTD区域必须延伸到硅衬底中。Bloch边界条件将用于光学模拟中以某个角度入射的周期性,仿真区域将包含一个RGBG像素(四个子像素)。


生成率分析组

FDTD模拟中必须添加三个生成率分析对象,以记录和分析绿色和蓝色子像素中的吸收功率。您将注意到有三个生成率对象:一个仅位于蓝色通道下,一个仅在绿色通道下,另一个覆盖两者。对于CHARGE模拟,我们确实只需要生成对象覆盖蓝色和绿色通道下的两个区域的结果,但我们保留了其他两个分析组,以便在以后的计算中使用每个通道的Jsc输出结果。生成率分析组将:


平均y方向上的生成率,

重复x方向上的生成率(因为光学模拟是周期性的),

保存可导入CHARGE模拟的生成率文件。


分析组的选项卡设定如下所示:


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法


入射角扫描

在cis_QE.fsp文件中的扫描任务设置为扫过7个角度点(0度到35度),对于每个角度,光源偏振角都设置为0度和90度,总共14次模拟。每种情况下,生成率输出为.mat文件。由于我们需要非相干光结果,所以我们将两个偏振角模拟的结果相加。分析组返回乘以系数0.5的生成率以修正结果,因此当我们将两个极化结果相加时,我们将得到非相干源的平均生成率。


03 运行和结果


在FDTD模拟中运行扫描任务。扫描完成后,应在扫描文件夹中生成14个文件,这些文件是我们将加载到CHARGE模拟中的文件。同时FDTD中的扫描还会返回角度响应示例中讨论的相同结果,以生成光学效率。

角度响应示例可参考:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042358574


生成速率和光学效率

在FDTD项目文件中,使用以下脚本行,使用上述示例中解释的方法绘制光学效率。该脚本还将保存蓝色像素下生成的电流,以便在CHARGE中进行进一步计算。


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法

Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法


使用FDTD中的光学模拟计算光学效率(图示蓝线)。绿色像素中吸收的比例表示吸收光中的光谱串扰(图示绿线)。脚本也计算了蓝色像素下生成的电流以及功率,以进行进一步的后期处理。


在CHARGE模拟中,对象树中添加了一个生成组,其中包含所有角度的导入生成率数据和每个角度的两个极化。使用脚本文件cis_QE.lsf,为每个角度设置模拟,并启用相应的生成率数据。导入生成率数据现在将扩展到四个子像素(GBGB),表示该横截面中的平均生成率。注意,每个角度都有两个极化,结果是两个极化的总和,因为导入生成对象是相加的。CHARGE模拟在DC稳态下执行,其中像素被偏置在其重置状态(TX门开启,RST门开启)。这将使像素状态保持在照明开始时(或对于持续照明的传感器,在初始电荷积分点)预期的条件下。对于弱照明系统,这将提供对电串扰的准确估计,同时极小化仿真复杂性。用户参数“vdd”在模型中定义,可用于同时设置所有触点的直流偏压。例如下述脚本将向像素中的所有栅极和FD触点施加3.3V偏置。


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法




求解器区域将扩展为包含四个子像素:相邻像素的蓝色(居左侧)和绿色(居右侧),以及感兴趣的绿色(非活动)和蓝色(活动)子像素。CHARGE求解器区域具有开放(非周期性)边界条件,通过规定没有电荷将被传输穿过半导体中的边界来强制电荷守恒。因此,模拟域的边界应被扩展以包括相邻的单元,使得子像素之间产生的电荷将在适当的接触处被正确地收集。模拟域必须包括每个子像素的触点,以正确设置系统上施加的偏置。


如果只运行一个模拟,则始终可以检查CHARGE对象的外部光学生成率结果。


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法




内部/外部量子效率和串扰

运行cis_QE.lsf。对于每个模拟,设置都是网状的,并且还有一个“初始化”步骤。初始化将用于为求解器生成良好的初始猜测,这将需要大量的模拟时间。模拟完成后,脚本的其余部分返回从每个颜色通道收集的电流,并确定串扰比例。该值表示为来自绿色和蓝色通道的总电流的比例。注意,电流小于用FDTD计算的理想值:两者的比率是内部量子效率(IQE)。结果绘制为光源角度的函数。


Ansys Lumerical 关于 CMOS 传感器的串扰和量子效率仿真方法



相关阅读

Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

Lumerical 针对 CMOS image sensor 仿真中的角度响应

Lumerical 单光子雪崩二极管仿真

基于 Ansys Lumerical 的雪崩光电二极管仿真

Lumerical针对MicroLED的仿真实例

Lumerical 针对多模干涉耦合器的仿真设计与优化

案例 | Lumerical 铌酸锂热调制波导仿真


相关推荐

LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(二)
LS-DYNA是著名的通用显式有限元分析软件,凭借其优秀的精度、稳定性和...
LS-DYNA软件及其在汽车零部件行业的应用介绍(一)
LS-DYNA是著名的通用显式有限元分析软件,凭借其优秀的精度、稳定性和...
如何将光栅数据从Lumerical导入至OpticStudio(下)
本文介绍了一种使用Ansys Zemax OpticStudio和Lum...