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。
02综述
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,最后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表示第一象限的角度,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。
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。
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。
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。
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。
图4
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。
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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