基于TCAD的EMCCD仿真研究

图6 在region_g11中注入电子后的二维电子浓度分布
为了使电荷包能够在埋沟里面转移，我们在电极上施加如图 3 驱动脉冲。 g11、g21 和 g31 上施加的驱动脉冲为 VG1，同样的， g12、g22 和 g32 上施加 的驱动脉冲为 VG2，g13、g23 和 g33 上施加的驱动脉冲为 VG3，g14、g24 和 g34 上施加的驱动脉冲为 VG4， 倍增驱动脉冲的高电位命名为 Vem。通过改变高 压驱动相电势，观察电子数变化，分析是否产生倍增以及倍增率数值。
2、EMCCD 结构和工作原理
EMCCD 的成像区、存储区和读出寄存器都和传统帧转移 CCD 结构相同， 但是在读出寄存器和输出放大器间多出了一串增益寄存器结构（如图 1 所示） 。 图 2 是增益寄存器剖面图，每级倍增寄存器由四个电极 Ф1、Фdc、Ф2 和 Ф3 组 成。
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图1 EMCCD的结构示意图
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图 3 倍增寄存器驱动时钟
图 4 单级倍增单元的电荷转移
雪崩倍增在半导体器件中是一种很普遍的现象，当载流子经过 105V/cm 量 级、宽度为 1um 的电场时，就会发生撞击离化，产生电子空穴对[4]。EMCCD 利 用载流子的雪崩倍增效应， 通过在光生信号电子到达输出放大器前对其进行倍增 放大，有效降低了 CCD 片上输出放大器噪声对原始信号的影响，从而提高器件 的感光灵敏度，使器件可在极弱的光照条件下对目标进行成像。 增益 G 值的大小对于 EMCCD 性能有重要影响，提高倍增增益 G，可以提 高 EMCCD 的探测灵敏度。G 值过低，器件灵敏度得不到有效提高；G 值过高， 倍增寄存器先于成像区达到满阱，降低器件动态范围，减弱可探测的峰值，对小 信号有不必要的灵敏度。 E2V 公司的 CCD97 倍增寄存器有 512 级， 总增益在 1～ 1000 之间可调，单级增益小于 1.015。因此，仿真的单级增益控制在 1.01～1.015 之间。 雪崩倍增的高电场是通过 Ф2 和 Фdc 间的电压差产生的，电势差越大，电 场越强，倍增率也就越大。但倍增驱动电压又不能过大，以免器件发生击穿。 SUDHIR K.MADAN 通过实验得出，在表沟 CCD 中，当两个电极间的电压差为 16V 时，将产生 3%的电荷增益；埋沟 CCD 中，由于沟道离表面较远，同样的 电势差，埋沟 CCD 产生峰值电场较小，因此增益也小于表沟 CCD[4]。EMCCD 的主要生产厂家 E2V 公司生产的器件倍增寄存器的最大驱动电压 45V[5]。因此， 本文建立的埋沟 CCM 仿真模型倍增电压在 35V 左右调试，保证单级倍增率在
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University of Bologna,和the new University of Bologna，五个模型依据内在驱动力 不同， 选取不同的碰撞离化率计算公式，每个模型里面的参数适用的电场范围也 不同。 这里我们选取van Overstraeten-de Man模型， 它的适用电场范围是1.75 ×105 Vcm –1 到6×105Vcm –1。 我们首先通过设置费米势在电极g11下面的区域region_g11注入一定数量的 电子，如6图示，注入的电子数量为3063e-/um：
图 8 t=t2a 时二维电子浓度分布
Vem=10V 时，我们看到无论电荷包经过一级、二级或者是三级倍增寄存器 后，电子数目始终没有发生变化。这说明在 Vem=10V 时，并没有发生倍增。
（2）Vem=20V
为了观察 Vem 的对倍增率的影响，这里在不改变其他条件的基础上逐步增 加 Vem 的大小。 如图 9 所示，此时 t=t0a，电荷包从已转移到 region_g13 中，经过了一次倍
1、引言
EMCCD 是近几年发展起来的新颖微光探测图像传感器[1]，具有高灵敏度、 大动态范围、高信噪比等优点，在微光监视、生物分子探测以及天文观测领域得 到越来越广泛的应用。 EMCCD 技术，也被称作“片上增益技术”，是一种全新的微弱光信号增强探 测技术，与普通 CCD 不同之处就在于 EMCCD 在读出寄存器和读出放大器之间 增加了电荷载流子倍增寄存器 CCM（Charge Carrier Multiplier)， EMCCD 的成 像区、存储区和读出寄存器都和传统 CCD 结构相同[2]。电荷载流子倍增寄存器 利用载流子的碰撞电离效应实现电荷载流子接近零噪声的电荷级放大倍增， 从而 有效提高传感器的探测灵敏度。 本文基于 EMCCD 的结构和工作原理， 建立倍增寄存器仿真模型， 该模型由 三级倍增寄存器组成。通过在倍增寄存器上施加高压驱动，实现了稳定倍增。
Study on the EMCCD Simulation Based on the TCAD
BAI Xue-ping1, HAN Lu2, WANG Chao-min1, XIONG Ping1, LI Li1, LIU Change-ju1, SHI Nian1 （1.Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing 400060; 2. Chong Qing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400060）
图 5 EMCCD 倍增寄存器仿真模型
仿真模型由三级倍增寄存器组成。 这样做的目的是因为 EMCCD 单级倍增率 很小，而且每级的倍增率也不完全一样，为了能更好的证明倍增率的存在，同时 能更准确的计算倍增率的大小，设计了三级倍增寄存器结构。器件的长度为 25.1 m ，厚度为 12.1 m ，其中 SiO2 氧化层的厚度为 0.1 m ，p 型衬底浓度为 6×1014 cm3 ，g11、g12、g13、g14 为第一级倍增寄存器的时钟电极，g21、g22、 g23、g24 和 g31、g32、g33、g34 分别为另外两级倍增寄存器的时钟电极，它们 的电极长度为 2 m ，电极间隙 0.1 m 。同时我们把每个电极下面的埋沟区域分 别 命 名 为 region_g11 ～ region_g14 ， region_g21 ～ region_g24 ， region_g31 ～ r egion_g34。n 型埋沟浓度 Nch 为 5×1016 cm3 ，结深 x j 为 1 m 。实际器件的每 级的电极长度有 5 m 左右， 这里设置成 2 m 是为了减少网格数， 提高仿真速度， 否则网格数过多，仿真速度会非常慢，甚至可能不收敛。 基于倍增寄存器雪崩倍增的物理原理，选取了雪崩倍增的物理模型。雪崩倍 增模型里面有五个模型：van Overstraeten-de Man，Okuto–Crowell, Lackner，
基于 TCAD 的 EMCCD 仿真研究
白雪平 1 韩露 2 汪朝敏 1 熊平 1 李立 1 刘昌举 1 石念 1 (1. 重庆光电技术研究所，重庆 400060；2. 重庆邮电大学，重庆 400060)
摘要：基于 EMCCD 的倍增原理，利用 Synopsys 公司 Sentaurus 仿真工具，建立 了 EMCCD 仿真模型。 采用雪崩倍增物理模型， 通过在倍增寄存器上施加高压驱 动，实现了信号电荷的倍增和电压对增益的控制，验证了 EMCCD 的倍增原理， 为 EMCCD 研制提供设计依据。 关键词：EMCCD；仿真模型；雪崩倍增；高压驱动；增益
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图 7 t=t0a 二维电子浓度分布
图 8 为 t=t2a 时刻二维电子浓度图及电子数目，可以看到此时电荷包已从 region_g13 转移到 region_g23 中，此时 region_g23 中的电子数变为 3058/ m ，电 子数目不仅没有增加， 反而有所减少。电子之所以减小主要是因为电子的转移效 率并不是 100%，有少量电子没有从前面的区域转移过来。但是所有电极区域内 的电子数目相加基本上都为 3063/ m ，这说明如果没有发生雪崩效应，因为其 他因素导致电子数目增加的影响可以忽略不计。为了准确的知道电子数目的变 化， 这里不考虑转移损失率的影响，因此我们直接计算沟道内总的电子数的变化 即可，也就是说此时 region_g23 中的电子数为 3063/ m 。
图 2 倍增寄存器剖面图
通过在增益寄存器上施加如图 3 所示的驱动脉冲 （其幅值并不代表实际电压 大小）[3]，增益寄存器电荷转移过程如图 4 所示，其中两个电极（Ф1 和 Ф3）由 标准幅值时钟驱动， Ф2 加的电压远比仅仅用于转移电荷的电压高很多， 而在 Ф2 前的 Фdc 加的是一个小的直流电压。 由于 Ф2 和 Фdc 巨大的电压差， 在 Ф2 和 Фdc 间产生巨大的电场强度足以使电子在转移过程中发生“撞击离子化效应”， 产生 新的电子，即所谓的倍增或增益。 当所有的电荷都转移到高场区并且倍增后，电荷向下一个电极转移。当 Ф2 由高电平转为低电平时，Ф3 由低电平转为高电平，电荷由 Ф2 转到 Ф3 下的势 阱。 接着 Ф3 由高电平转为低电平， Ф1 由低电平转为高电平， 电荷由 Ф3 转到 Ф1 下的临时势阱，电荷在 Фdc 下不做停留，当电荷完全转到 Ф1 电极下时，直接从 Ф1 转到 Ф2。电荷每经过一级倍增单元，就发生一次倍增。单级增益 g 一般是很 小的，但经过 n 次倍增后，总增益 G（ G (1 g )n ）会变得非常可观；同时单级 增益是随机的，理论上每次都不一样，但概率上其值固定在一个范围内，Ф2 电 极上的电压越高， 单级增益越大。同时对倍增寄存器发生碰撞电离的级数也可以 控制， 即可以控制倍增级数以保证最终的增益值。 因此可以通过调整倍增时序 Ф2 电压幅值和倍增级数来保证最终的增益值。
Abstract: Based on the operating principle of EMCCD, simulation model of EMCCD is built using simulation tool Sentaurus created by Synopsys company. Avalanche generation model is introduced, high driving voltage is applied to the CCM, signal charge is multiplied and voltage’s control on gain is got, the principle of multiplying is verified, and the designing parameter of EMCCD is obtained. Key word：EMCCD; simulation model; avalanche multiplying; high driving voltage; gain