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Lumerical 關(guān)于 CMOS Image Sensor 的寬帶模擬
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本例介紹了CMOS傳感器仿真工作流,其中包括三維寬帶光學和電學仿真,與前面的案例(Lumerical 針對 CMOS image sensor 仿真中的角度響應(yīng))相比,提供了一個更真實和通用的演示。本例考慮了入射光的方位角和極化角,必要時可以提取EQE用于SPEOS中進一步模擬。
CMOS圖像傳感器是基于光電轉(zhuǎn)換,從光吸收開始,通過載流子生成,再收集電子進行信號分析。在本例中,CMOS傳感器的一些關(guān)鍵性能指標被計算為入射角和波長的函數(shù),例如內(nèi)部量子效率(IQE)和外部量子效率(EQE)。
整個工作流被分解為六個獨立的Lumerical腳本,由驅(qū)動程序CMOS_workflow.lsf腳本按順序調(diào)用。整個流程由json配置文件中的參數(shù)控制,例如波長和入射角等,配置文件中的“flag”參數(shù)允許用戶運行特定的仿真或分析。關(guān)于配置文件參數(shù)的詳細信息可以在原文鏈接中的Important model settings部分中找到。
該工作流將生成多個仿真,因此建議在“Associated files”下檢查來自先前運行的仿真的數(shù)據(jù),本例中將著重闡述關(guān)鍵結(jié)果。
步驟1:光學仿真(計算光學效率和光生載流子生成速率)
在這一步中,計算了光學效率(OE)和光生載流子生成速率(Charge carrier generation rates)作為入射角(包括極角θ和方位角φ)、偏振和波長的函數(shù),被分別保存在不同的mat文件當中,這兩個結(jié)果均通過寬帶FDTD模擬計算,使用具有Bloch界條件的平面光源,并對光源的角度和偏振進行掃描。
從圖1中可以看到,OE數(shù)據(jù)是按照入射角(θ和φ)、波長和偏振保存,其中phi_quad表示象限一的角度,即φ從0°到90°(因為假設(shè)四重對稱),并將這里的結(jié)果映射到EQE計算中的其他三個象限。
圖1
歸一化載流子生成速率采用空間坐標、入射角和波長的格式保存。0.4um波長的光學仿真和分析后獲得的數(shù)據(jù)示例如圖2所示。
圖2
如預期,對于垂直入射的藍光(400納米),電荷生成主要限制在Bayer cell的像素B中。對于斜入射,由于光學串擾相鄰像素產(chǎn)生的電荷比例會增加,如圖3所示。
圖3
步驟2:電學仿真(權(quán)重函數(shù))
采用三維電學仿真對Bayer cell進行了仿真,這一步的目的是求取權(quán)重函數(shù),即生成載流子在給定像素的n阱中被收集的空間概率。只需要運行一次電學模擬,因為結(jié)果與入射光的參數(shù)(即波長、注入角度和偏振)無關(guān)。假設(shè)RGB像素具有相同的摻雜分布以及電極布局,只需要計算一個像素的n阱的權(quán)重函數(shù)并將結(jié)果映射到Bayer cell的四個像素。
可以根據(jù)空間坐標和子像素(Bayer cell的特定像素)將權(quán)重函數(shù)可視化,子像素1、2、3和4的值分別對應(yīng)“G1”、“B”、“R”和“G2”像素,如圖4。
圖4
圖5
圖5為G1的權(quán)重函數(shù),顯示了由于G1相鄰像素的非零值而產(chǎn)生的潛在串擾效應(yīng),G1左右兩側(cè)的B像素有一定的電荷收集概率,特別是左邊的像素。圖5左圖右邊緣的顏色是由于光學仿真中使用的Bayer cell的權(quán)重函數(shù)的疊加,可以通過利用系統(tǒng)的周期性將B像素移到G1像素的左邊來理解。位于G1像素左側(cè)的B像素貢獻較大的主要原因是摻雜分布在像素中心周圍不對稱(例如n阱偏心)。顯然,這是一個重要的設(shè)計考慮因素。
步驟3:計算內(nèi)部和外部量子效率(IQE和EQE)
根據(jù)步驟2的結(jié)果可以得到IQE作為入射角、偏振和波長的函數(shù),通過IQE乘以O(shè)E來計算EQE,IQE和EQE結(jié)果都是入射角、波長和像素的函數(shù),下圖為四個像素在對應(yīng)波長的EQE對應(yīng)于彩色濾光片材料的吸收峰。與其他像素相比,藍色像素的整體EQE較高,主要是由于在較短波長下硅的吸收系數(shù)較高。藍光產(chǎn)生的電荷濃度比綠光和紅光產(chǎn)生的電荷濃度更高,且更靠近硅表面,從而在n阱中產(chǎn)生更高的收集概率。
圖6
導出的EQE數(shù)據(jù)可以作為CMOS成像傳感器的表征參數(shù)導入到SPEOS中,通過SPEOS可與CMOS圖像相機系統(tǒng)的宏觀光學元件積分。
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