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Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

发布日期:
2022-12-16

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01

说明


本例介绍了CMOS传感器仿真工作流,其中包括三维宽带光学和电学仿真,与前面的案例(Lumerical 针对 CMOS image sensor 仿真中的角度响应)相比,提供了一个更真实和通用的演示。本例考虑了入射光的方位角和极化角,必要时可以提取EQE用于SPEOS中进一步模拟。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟



02

综述



Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟


CMOS图像传感器是基于光电转换,从光吸收开始,通过载流子生成,再收集电子进行信号分析。在本例中,CMOS传感器的一些关键性能指标被计算为入射角和波长的函数,例如内部量子效率(IQE)和外部量子效率(EQE)。


整个工作流被分解为六个独立的Lumerical脚本,由驱动程序CMOS_workflow.lsf脚本按顺序调用。整个流程由json配置文件中的参数控制,例如波长和入射角等,配置文件中的“flag”参数允许用户运行特定的仿真或分析。关于配置文件参数的详细信息可以在原文链接中的Important model settings部分中找到。


该工作流将生成多个仿真,因此建议在“Associated files”下检查来自先前运行的仿真的数据,本例中将着重阐述关键结果。


步骤1:光学仿真(计算光学效率和光生载流子生成速率)

在这一步中,计算了光学效率(OE)和光生载流子生成速率(Charge carrier generation rates)作为入射角(包括极角θ和方位角φ)、偏振和波长的函数,被分别保存在不同的mat文件当中,这两个结果均通过宽带FDTD模拟计算,使用具有Bloch界条件的平面光源,并对光源的角度和偏振进行扫描。


从图1中可以看到,OE数据是按照入射角(θ和φ)、波长和偏振保存,其中phi_quad表示象限一的角度,即φ从0°到90°(因为假设四重对称),并将这里的结果映射到EQE计算中的其他三个象限。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图1


归一化载流子生成速率采用空间坐标、入射角和波长的格式保存。0.4um波长的光学仿真和分析后获得的数据示例如图2所示。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图2


如预期,对于垂直入射的蓝光(400纳米),电荷生成主要限制在Bayer cell的像素B中。对于斜入射,由于光学串扰相邻像素产生的电荷比例会增加,如图3所示。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图3


步骤2:电学仿真(权重函数)

采用三维电学仿真对Bayer cell进行了仿真,这一步的目的是求取权重函数,即生成载流子在给定像素的n阱中被收集的空间概率。只需要运行一次电学模拟,因为结果与入射光的参数(即波长、注入角度和偏振)无关。假设RGB像素具有相同的掺杂分布以及电极布局,只需要计算一个像素的n阱的权重函数并将结果映射到Bayer cell的四个像素。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟


可以根据空间坐标和子像素(Bayer cell的特定像素)将权重函数可视化,子像素1、2、3和4的值分别对应“G1”、“B”、“R”和“G2”像素,如图4。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图4


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图5


图5为G1的权重函数,显示了由于G1相邻像素的非零值而产生的潜在串扰效应,G1左右两侧的B像素有一定的电荷收集概率,特别是左边的像素。图5左图右边缘的颜色是由于光学仿真中使用的Bayer cell的权重函数的叠加,可以通过利用系统的周期性将B像素移到G1像素的左边来理解。位于G1像素左侧的B像素贡献较大的主要原因是掺杂分布在像素中心周围不对称(例如n阱偏心)。显然,这是一个重要的设计考虑因素。


步骤3:计算内部和外部量子效率(IQE和EQE)

根据步骤2的结果可以得到IQE作为入射角、偏振和波长的函数,通过IQE乘以OE来计算EQE,IQE和EQE结果都是入射角、波长和像素的函数,下图为四个像素在对应波长的EQE对应于彩色滤光片材料的吸收峰。与其他像素相比,蓝色像素的整体EQE较高,主要是由于在较短波长下硅的吸收系数较高。蓝光产生的电荷浓度比绿光和红光产生的电荷浓度更高,且更靠近硅表面,从而在n阱中产生更高的收集概率。


Lumerical 关于 CMOS Image Sensor 的宽带模拟

图6


导出的EQE数据可以作为CMOS成像传感器的表征参数导入到SPEOS中,通过SPEOS可与CMOS图像相机系统的宏观光学元件积分。


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