一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，包括紫外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、運(yùn)算放大器和反饋元件，紫外探測(cè)器的陽(yáng)極與紅外探測(cè)器的陽(yáng)極、運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，紫外探測(cè)器的陰極與外接電源相連，紫外探測(cè)器的襯底和紅外探測(cè)器的襯底均接地，紅外探測(cè)器的陽(yáng)極與陰極短接，并與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，運(yùn)算放大器的同向輸入端接共模電平，反饋元件包括反饋電阻和反饋電容，反饋電阻的一端與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器的輸出端相連，反饋電容并接在反饋電阻的兩端。本發(fā)明能夠?qū)⒆贤馓綔y(cè)器接收到的可見(jiàn)光信息和紅外信息經(jīng)紅外探測(cè)器的分流作用而補(bǔ)償?shù)?，?shí)現(xiàn)了選擇性和低噪聲紫外探測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紫外探測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]紫外探測(cè)技術(shù)是繼紅外和激光探測(cè)技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的又一軍民兩用光電探測(cè)技術(shù)。紫外探測(cè)技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，利用紫外探測(cè)技術(shù)在檢測(cè)診斷皮膚病時(shí)可直接看到病變細(xì)節(jié)，也可用它來(lái)檢測(cè)癌細(xì)胞、微生物、血色素、白血球、紅血球、細(xì)胞核等，這種檢測(cè)不但迅速、準(zhǔn)確，而且直觀、清楚。在軍事上，它主要用于紫外告警、紫外通訊、紫外/紅外復(fù)合制導(dǎo)和導(dǎo)彈探測(cè)等方面。隨著半導(dǎo)體探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，響應(yīng)不同光波段的焦平面陣列得到了快速發(fā)展。在遠(yuǎn)紅外（8~14um)波段有HgCdAnTe焦平面陣列，中紅外（2~5um)波段有InSb焦平面陣列，近紅外（O. 9~I. 68um)波段有InGaAs焦平面陣列。在可見(jiàn)光波段有硅CCD和硅CMOS圖像傳感器，但是到目前還沒(méi)有實(shí)用的專門用于紫外光波段的焦平面陣列，特別是能與大規(guī)模集成電路SOC集成的CMOS紫外芯片。
[0003]目前的紫外探測(cè)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：
[0004](I)系統(tǒng)龐大，一般的紫外探測(cè)系統(tǒng)整個(gè)電路由感光器件、像素電路、放大電路、讀出電路等搭接起來(lái)，至少需要三塊以上的芯片獲取紫外信息，通過(guò)軟件和計(jì)算機(jī)技術(shù)提取有用信號(hào)進(jìn)行分析，是一項(xiàng)大型精密綜合測(cè)量?jī)x器，集成度低，系統(tǒng)龐大；
[0005](2)集成度低，驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路難與紫外成像陣列單片集成，圖像系統(tǒng)為多芯片系統(tǒng)；
[0006](3)系統(tǒng)復(fù)雜，紫外探測(cè)器的控制與時(shí)鐘脈沖復(fù)雜，需要相對(duì)高的工作電壓，不能與亞微米和深亞微米的VLSI技術(shù)兼容，生產(chǎn)工藝復(fù)雜；
[0007](4)功耗大，不利于便攜式產(chǎn)品；
[0008](5)成品率低，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能夠有效的提高紫外選擇性吸收和降低系統(tǒng)的噪聲系數(shù)的單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)。
[0010]本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，包括紫外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、運(yùn)算放大器和反饋元件，所述紫外探測(cè)器的陽(yáng)極與紅外探測(cè)器的陽(yáng)極、運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，紫外探測(cè)器的陰極與外接電源相連，紫外探測(cè)器的襯底和紅外探測(cè)器的襯底均接地，所述紅外探測(cè)器的陽(yáng)極與陰極短接，并與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，運(yùn)算放大器的同向輸入端接共模電平，所述反饋元件包括反饋電阻和反饋電容，所述反饋電阻的一端與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述反饋電容并接在反饋電阻的兩端。
[0011]所述紅外探測(cè)器由第一光電二極管和第二光電二極管組成，第一光電二極管的陰極與第二光電二極管的陰極相連構(gòu)成反向連接結(jié)構(gòu)，第一光電二極管的陽(yáng)極與陰極短接。
[0012]所述紫外探測(cè)器包括P型襯底，P型襯底上設(shè)有N深講，在N深阱內(nèi)設(shè)有相間的N阱和P阱，N阱和P阱內(nèi)分別設(shè)有N注入?yún)^(qū)和P注入?yún)^(qū)，N深阱內(nèi)所有的N注入?yún)^(qū)通過(guò)電極連接在一起，N深阱內(nèi)所有的P注入?yún)^(qū)也通過(guò)電極連接在一起。
[0013]所述紫外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、運(yùn)算放大器和反饋元件均設(shè)置在同一片CMOS芯片上。
[0014]所述紅外探測(cè)器的感光區(qū)面積為紫外探測(cè)器感光區(qū)面積的1/15。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的元器件均設(shè)置在同一片CMOS芯片上，集成度高，紫外探測(cè)器的陽(yáng)極與紅外探測(cè)器的陽(yáng)極相連，紫外探測(cè)器的陰極與外接電源相連，紫外探測(cè)器的襯底和紅外探測(cè)器的襯底均接地，紅外探測(cè)器的陽(yáng)極與陰極短接，紫外探測(cè)器和紅外探測(cè)器這種特殊的連接方式，使得紫外探測(cè)器接收到的少量的可見(jiàn)光信號(hào)和紅外信號(hào)經(jīng)紅外探測(cè)器的分流作用而補(bǔ)償?shù)?，能夠有效地提高紫外選擇性吸收，降低了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖I是本發(fā)明整體的結(jié)構(gòu)面板圖。
[0017]圖2是本發(fā)明整體的電路框圖。
[0018]圖3是本發(fā)明中 紫外探測(cè)器和紅外探測(cè)器的截面圖。
[0019]圖4是本發(fā)明中的單獨(dú) 測(cè)試紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)的電路圖。
[0020]圖5是本發(fā)明中測(cè)試紫外-紅外互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)光譜響應(yīng)的電路圖。
[0021]圖6是本發(fā)明中運(yùn)算放大器的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]如圖I所示，本發(fā)明包括：紫外探測(cè)器I、紅外探測(cè)器2、運(yùn)算放大器3和反饋元件4，四個(gè)部分均制作在同一片硅基5上，其中運(yùn)算放大器3為折疊式共源共柵運(yùn)算放大器，其中紫外探測(cè)器感光面積大約為紅外探測(cè)器感光面積的15倍，特定的面積比例可以實(shí)現(xiàn)較好的紫外選擇性吸收以及較低的噪聲系數(shù)。
[0024]如圖2所示，紫外探測(cè)器的陽(yáng)極與紅外探測(cè)器的陽(yáng)極、運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，紫外探測(cè)器的陰極與外接電源Vbias相連，紫外探測(cè)器的襯底和紅外探測(cè)器的襯底均接地，所述紅外探測(cè)器的陽(yáng)極與陰極短接，并與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，運(yùn)算放大器的同向輸入端接共模電平Vin，所述反饋元件包括反饋電阻R和反饋電容C，所述反饋電阻R的一端與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述反饋電容C并接在反饋電阻的兩端，反饋電阻R=IOMh反饋電容C=lpF。虛線框6為紫外探測(cè)器的等效電路模型，相當(dāng)于上下兩個(gè)光電二極管的對(duì)接；虛線框7為紅外探測(cè)器的等效電路模型，同樣相當(dāng)于兩個(gè)光電二極管的對(duì)接，第一光電二極管的陽(yáng)極與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，第二光電二極管的陰極與第一光電二極管的陰極相連，第二光電二極管的陽(yáng)極(襯底）接地，不同的地方在于紅外探測(cè)器等效電路結(jié)構(gòu)中上面的光電二極管是短接的，即第一光電二極管陽(yáng)極與陰極對(duì)接；當(dāng)有光照射時(shí)，紫外探測(cè)器接收到的紫外光部分信息、少量的紅外信息和少量的可見(jiàn)光信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)A讀出，接收到的可見(jiàn)光部分的信息通過(guò)節(jié)點(diǎn)B流向地，紅外探測(cè)器接收的紅外光部分信息和可見(jiàn)光部分信息均經(jīng)節(jié)點(diǎn)B流向地，見(jiàn)圖2中箭頭所指示的電流流向。由于紫外探測(cè)器和紅外探測(cè)器這種特殊的連接方式，使得紫外探測(cè)器接收到的少量的可見(jiàn)光信息和紅外信息經(jīng)紅外探測(cè)器的分流作用而補(bǔ)償?shù)簦瑢?shí)現(xiàn)選擇性和低噪聲紫外探測(cè)。過(guò)濾后的光電流通過(guò)一個(gè)折疊式共源共柵運(yùn)算放大器和反饋電阻、反饋電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換以及信號(hào)的放大。
[0025]如圖3所示，紫外探測(cè)器包括p_sub8、N深阱_NWD9、P+襯底10、N+陰極12、N阱
14、P+陽(yáng)極16和P阱18；N深阱-NWD9內(nèi)的結(jié)構(gòu)為虛線框內(nèi)結(jié)構(gòu)的重復(fù)，層次關(guān)系如上所述；N深阱-NWD9內(nèi)所有的P+陽(yáng)極接在一起構(gòu)成紫外探測(cè)器的陽(yáng)極，所有的N+陰極接在一起構(gòu)成紫外探測(cè)器的陰極。紅外探測(cè)器包括P_sub8、N深阱9、P+襯底11、N+陰極13、N阱
15、P+陽(yáng)極17和P阱19。紫外探測(cè)器的陽(yáng)極16與紅外探測(cè)器的P+陽(yáng)極17、N+陰極13短接在一起，紫外探測(cè)器的N+陰極12接外接電源，紫外探測(cè)器的P+襯底10接地；紅外探測(cè)器的P+襯底11接地。該紫外探測(cè)器的制造方法如下：
[0026]I)在P型硅襯底上注入一層N深阱，對(duì)應(yīng)圖中9 ;
[0027]2) P型硅襯底上注入一個(gè)P+摻雜區(qū)，對(duì)應(yīng)圖中10 ；
[0028]3)在N深阱內(nèi)相間注入P阱和N阱，對(duì)應(yīng)圖中18，14 ；
[0029]4)在P阱內(nèi)進(jìn)行離子注入，退火，激活，形成P+陽(yáng)極，對(duì)應(yīng)圖中16;在N阱內(nèi)注入N+摻雜區(qū)，構(gòu)成N+陰極，對(duì)應(yīng)圖中12;
[0030]5)在器件的上表面生長(zhǎng)一層氧化層；
[0031]6)用與器件結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的掩膜版作為光刻掩膜版，分別光刻掉P+陽(yáng)極和N+陰極上的氧化層；
[0032]7)通過(guò)蒸發(fā)鍍鋁膜的方法在器件表面生成一層鋁層；
[0033]8)光刻，得到襯底、陰極和陽(yáng)極。
[0034]紅外探測(cè)器的制造方法與紫外探測(cè)器類似，不再多描述。
[0035]如圖4所示，測(cè)試電路包括：紫外光電二極管UV20、高精度電流計(jì)A21、多晶硅電阻器R22，其中高精度電流計(jì)A21可測(cè)到nA級(jí)別，這里用到的是普朗克常數(shù)測(cè)量?jī)x。紫外光電二極管UV20的陰極（P襯底）接高電平Vpd，陽(yáng)極（p+區(qū)域）接高精度電流計(jì)A21 —端，高精度電流計(jì)A21與電阻R22串聯(lián)，且電阻R22另一端接地，測(cè)試的光電流1_直接從高精度電流計(jì)A21讀出。其中，VPD=9V，R=IKQ。
[0036]該電路的測(cè)試原理是：當(dāng)有光照時(shí)，連接好測(cè)試電路，用高精度電流計(jì)A21讀出此刻的光電流Iph。通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)（200-1 IOOnm),分別讀出各波長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的光電流Iph，最后整理數(shù)據(jù)并作出相應(yīng)的曲線圖，即為紫外光電二極管的光譜響應(yīng)圖。
[0037]如圖5所示，測(cè)試電路包括：紫外光電二極管UV20、高精度電流計(jì)A21、紅外光電二極管IR23、多晶硅電阻器&24、R225，其中高精度電流計(jì)A21可測(cè)到nA級(jí)別，這里用到的是普朗克常數(shù)測(cè)量?jī)x。高精度電流計(jì)A21與電阻R225串聯(lián)，二者再同紅外光電二極管IR23并聯(lián)，其中紅外光電二極管IR23陽(yáng)極（p+)區(qū)域與電阻R225的結(jié)合點(diǎn)接地，高精度電流計(jì)A21與紅外光電二極管IR23陰極（P襯底）的結(jié)合點(diǎn)與紫外光電二極管UV20陽(yáng)極（p+區(qū)域）相接，紫外光電二極管UV20的陰極（P襯底)與電阻札24串聯(lián)，電阻札24另一端接高電平VPD。即相當(dāng)于高精度電流計(jì)A21與電阻R225串聯(lián)再與紅外光電二極管IR23并聯(lián)，最后再與紫外光電二極管UV20和電阻&24串聯(lián)。測(cè)試的光電流Iph直接從高精度電流計(jì)A21讀出。其中，Vpd=16V，R1=20K Q，為保證Vik兩端電壓為1-2V (給予其與系統(tǒng)中相似的環(huán)境)，R2>1M Q。
[0038]該電路的測(cè)試原理是：當(dāng)有光照時(shí)，流經(jīng)紫外光電二極管UV20的光電流被紅外光電二極管IR23濾掉一部分后再流過(guò)高精度電流計(jì)A21并讀出。即我們讀出的電流為Iuv-Iik的值，且體現(xiàn)了紫外-紅外互補(bǔ)型結(jié)構(gòu)通過(guò)紅外補(bǔ)償來(lái)提高紫外選擇性的特點(diǎn)。通過(guò)改變
入射光的波長(zhǎng)（200-1100nm)，分別讀出各波長(zhǎng)時(shí)對(duì)應(yīng)的光電流IpVvjr)，最后整理數(shù)據(jù)并作
出相應(yīng)的曲線圖，即為紫外-紅外互補(bǔ)型光電二極管的光譜響應(yīng)圖。
[0039] 如圖6所示，VIN+, VIN-分別為折疊式共源共柵運(yùn)算放大器的同向輸入端和反向輸入端，IBIAS為基準(zhǔn)電流源。M1-M4和M13、M14、M17、M18分別構(gòu)成兩對(duì)共源共柵電流鏡，其作用在于將基準(zhǔn)電流IBIAS鏡像到共源共柵運(yùn)放的尾電流源，共源共柵電流鏡的采用可以提高提高鏡像電流的精確度，提高該運(yùn)算放大器的共模輸入范圍。M9和MlO構(gòu)成PMOS差分輸入對(duì)，差分輸入與單端輸入相比可以有效抑制共模信號(hào)干擾。M5-M8、Ml I、M12、M15、M16作負(fù)載用，兩個(gè)電阻的作用是調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓用。M19為共源放大器，M20為其提供恒定偏置電流同時(shí)作為輸出負(fù)載，且M19為跨導(dǎo)級(jí)，將差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而M20再將此電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出。相位補(bǔ)償電路由一個(gè)7pF的密勒補(bǔ)償電容和一個(gè)寬長(zhǎng)比為2:2的PMOS管構(gòu)成，其中PMOS管工作在線性區(qū)，可等效為一個(gè)電阻，與電容一起跨接在第二級(jí)輸入輸出之間，構(gòu)成RC密勒補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，使整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：包括紫外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、運(yùn)算放大器和反饋元件，所述紫外探測(cè)器的陽(yáng)極與紅外探測(cè)器的陽(yáng)極、運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，紫外探測(cè)器的陰極與外接電源相連，紫外探測(cè)器的襯底和紅外探測(cè)器的襯底均接地，所述紅外探測(cè)器的陽(yáng)極與陰極短接，并與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，運(yùn)算放大器的同向輸入端接共模電平，所述反饋元件包括反饋電阻和反饋電容，所述反饋電阻的一端與運(yùn)算放大器的反向輸入端相連，另一端與運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述反饋電容并接在反饋電阻的兩端。
2.如權(quán)利要求1所述的單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述紅外探測(cè)器由第一光電二極管和第二光電二極管組成，第一光電二極管的陰極與第二光電二極管的陰極相連構(gòu)成反向連接結(jié)構(gòu)，第一光電二極管的陽(yáng)極與陰極短接。
3.如權(quán)利要求1所述的單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述紫外探測(cè)器包括P型襯底，P型襯底上設(shè)有N深阱，在N深阱內(nèi)設(shè)有相間的N阱和P阱，N阱和P阱內(nèi)分別設(shè)有N注入?yún)^(qū)和P注入?yún)^(qū)，N深阱內(nèi)所有的N注入?yún)^(qū)通過(guò)電極連接在一起，N深阱內(nèi)所有的P注入?yún)^(qū)也通過(guò)電極連接在一起。
4.如權(quán)利要求1所述的單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述紫外探測(cè)器、紅外探測(cè)器、運(yùn)算放大器和反饋元件均設(shè)置在同一片CMOS芯片上。
5.如權(quán)利要求1所述的單芯片集成紫外-紅外互補(bǔ)型紫外探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：所述紅外探測(cè)器的感光區(qū)面積為紫外探測(cè)器感光區(qū)面積的1/15。
【文檔編號(hào)】G01N21/35GK103487394SQ201310460538
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】金湘亮, 汪涵, 趙永嘉 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)