器件物理作者

电学与光学串扰:信号是在吸收前还是吸收后偏移?

光学串扰关注光到达或吸收在邻近像素相关区域的过程;电学串扰关注已经产生的载流子进入非预期收集区的过程。最终图像中两者都可能表现为混合,因此仅看到像素边界变模糊,不能确定机制。[T3]

用光子吸收作为分界事件

吸收之前,问题是光怎样在膜栈和半导体中传播。界面、几何和入射方向影响光能量到达的位置。吸收产生载流子之后,输运与收集取决于半导体电场、扩散和边界。

这个分界适合教学,但不表示两套系统彼此独立。一项结构改变可以同时影响光路与载流子收集。

Process map · 流程地图

40nm流程地图流程概览

40nm BSI CMOS Image Sensor

在流程中定位隔离与背面光学模块,区分载流子输运与光路。

相似图像可能来自不同路径

设想本应属于像素 A 的光,在由像素 B 收集的区域吸收。即使 B 的局部电荷收集完全正确,也无法恢复原来的空间归属;在这个例子中,问题位于光学路径。

再设想吸收发生在 A 的预期区域,但部分载流子迁移到 B。改善最初光学聚焦,不一定消除这种迁移,电荷收集路径需要单独解释。

阶段主要物理对象相关边界
光传播光能量折射、反射与吸收结构
光子吸收载流子产生位置光能量发生转换的区域
载流子输运电子与空穴电场、扩散和半导体几何
信号读出已收集电荷与电信号读出链路;电子耦合是另一类混合来源

隔离结构需要两套解释

沟槽既可能改变载流子路径,也可能成为光学边界,效果取决于材料、几何和界面。研究 DTI 光学效率的工作说明,应明确评价光学行为,不能从“隔离”二字自动推断。[P4]

同时,新增半导体界面可能影响电荷产生或收集。意在减少混合的结构,如果界面不合适,也可能引入另一项问题。因此,“隔离更好”必须说明评价的是哪种机制与结果。

不要从单一症状确定原因

颜色混合或空间对比度下降,可以成为调查串扰的起点,却不是唯一机制指纹。照明光学、像素采样和后续信号处理都可能影响图像。即使只看传感器内部,读出链路电耦合也不同于像素体积内的载流子迁移。

严谨解释应先限定范围:本文比较的是光传播混合与载流子收集混合。随后依次问吸收发生在哪里、产生的载流子最后被哪里收集。这比把所有混合归给最近的沟槽或滤光层更有解释力。

原始资料链接

参考来源

[T3] 教科书2006

Physics of Semiconductor Devices - Full

S. M. Sze, Kwok K. Ng

Physics of Semiconductor Devices · ISBN 978-0-471-14323-9

[P4] 论文2020

Deep Trench Isolation and Inverted Pyramid Array Structures Used to Enhance Optical Efficiency of Photodiode in CMOS Image Sensor via Simulations

Chang-Fu Han, Jiun-Ming Chiou, Jen-Fin Lin · Sensors

DOI: 10.3390/s20113062

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常见问题

同一结构可以减少两类串扰吗?
可以,但光学与电学机制应分别有依据,不能默认作用相同。
彩色滤光片能阻止全部光学串扰吗?
不能。光谱选择不保证每个透过光子都在预期空间区域吸收。
没有载流子迁移,就没有图像混合吗?
不是,光传播和读出相关效应仍可能参与,结论必须限定到实际测量的机制。

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