大电荷处理能力红外探测器读出电路像素设计

读出电路将红外探测器二极管激发产生的光电子收集、积分成为电压信号并按序读出，使其变成后端系统可读的电信号，是红外焦平面探测器的重要组成部分。电荷处理能力作为衡量读出电路的一项重要指标，探测器的性能以及某些应用条件下要求读出电路具有大的电荷处理能力。

焦平面红外探测器的核心是如图1所示的探测器阵列与读出电路倒装互联在一起的混成芯片，其工作原理是探测器阵列在视场内受到特定波段的红外光激发，每个像素单元产生微弱的光电流，这些电流通过铟柱流入或流出与之相对应的读出电路的像素级，通过时序的控制，在像素级的积分电容上产生与光电流相应的电压信号，然后读出电路按序输出给后端采集系统成像。

图1 焦平面探测器混成芯片结构示意图

据麦姆斯咨询报道，近期，中电科光电科技有限公司的科研团队在《激光与红外》期刊上发表了以“大电荷处理能力红外探测器读出电路像素设计”为主题的文章。该文章第一作者为杨斯博。

本文介绍一种具备大电荷处理能力的模拟读出电路像素级设计，在15 μm像元间距内最大积分电容达到832 fF，最大电荷处理能达到10.92 Me⁻，且具备良好的线性度。

读出电路电荷处理能力与红外探测器性能的关系

动态范围（DR）和噪声等效温差（NETD）是衡量红外探测器灵敏度的主要指标。由于本探测器需要在110 K这个相对较高的温度下工作，探测器的暗电流会随着工作温度的升高而迅速增大，从而对探测器的最终信噪比造成严重影响，从而造成NETD数值升高，成像质量不佳。从读出电路着手考虑，需要在读出电路噪音中需要将KTC噪音降到最低。KTC噪声是像素单元因复位动作而产生的一项噪声。

从设计的角度考虑减小KTC噪声，Cp作为分母项，可以通过设计尽可能大的积分电容达到减小KTC噪声的目的，电路的积分电容越大，KTC噪声Vn就会越小，相应的红外探测器性能指标也会越好。

大电荷处理能力像素单元设计

电路的积分电容布置在像素单元内，一般采用MOS电容设计，其单位面积电容密度较大。版图设计要遵守符合半导体集成电路制造可靠性的最小的设计规则，图2列举出一些版图设计规则。

图2 0.18 μm工艺设计规则

设计规则中构成的MOS管的金属和金属、多晶硅与多晶硅，N阱与NMOS之间有严格的距离限制，违反这些规则可能导致制造工艺失败从而引起电路失效。由于本款电路像元中心间距仅为15 μm，因此在非常有限的像素区域内很难布置出大的积分电容，这对像素单元的版图设计是不小的挑战。本次设计采用如下三个方法提升像素的积分电容。

输入级结构选型

读出电路像素的输入级直接通过铟柱与探测器相连，常用的输入级结构主要有以下几种：自积分（SI）、直接注入型（DI）、源跟随器型（SF）、电容跨导放大器结构（CTIA）等，各种结构在噪声、占用面积等方面各有优劣，性能对比见表1所示。

本次设计选择DI搭配SF的像素级结构，这种结构在噪声表现、线性度和占用面积方面均有不错的表现，其典型结构如图3所示。

图3 输入级结构

优化MOS电容设计

集成电路版图设计一般调用PDK中标准的MOS器件，通过设置宽、长参数以及插指数便可直接得到MOS器件的版图图形，如图4所示。这种方法十分方便，缺点是这样调用的MOS器件均是规整的矩形，无法充分利用像素面积。采用自定义设计的积分电容MOS器件，手动按层绘制，可以设计出不规则图形的MOS器件，通过细微调整，在满足DRC规则的前提下，可以充分利用像素空间，优化后的MOS电容如图5所示。

图4 典型PCELL MOS器件版图

图5 自定义设计MOS器件版图

采用立体垂直式MIM电容叠层设计

多层金属布线集成电路工艺的金属与金属之间通过绝缘钝化层隔离，在两层导体之间夹杂绝缘介质的结构形成了天然的电容器，这种电容器称为MIM电容器，结构如图6所示。像素单元中的积分电容采用MOS管的栅氧化层电容，但是受像素单元面积限制不能做的很大。MIM电容结构在集成电路后道工艺中制作，不占用MOS器件结构的面积，在底层的MOS电容无法再增大的情况下，可以在MOS电容上方并联叠加MIM电容，充分利用像素单元纵向空间结构，达到增大积分电容的目的。

图6 MIM电容器结构剖面图

因为MIM电容的上下极板均为金属，在进行版图设计时要综合考虑贯穿像素阵列的横向和纵向信号线，预留走线空间。还要在数字信号线与敏感模拟节点间布设屏蔽金属层，避免数字信号对模拟节点通过寄生的干扰。经过几十种布线方案的迭代，最终确定叠加MIM电容的尺寸分别为11 μm²、25.25 μm²、8.09 μm²，按照其电容密度2 fF/μm²计算，最终MIM电容大小分别为22 fF、50.5 fF、16.18 fF。像素中并联叠加的MIM电容如图7所示，其中METALTOP为MIM电容的上极板，METAL5为MIM电容的下极板。像素设计最终的完整版图如图8所示。

图7 像素中并联的MIM电容

图8 像素单元完整版图

读出电路设计仿真结果

使用ADE软件对电路进行模拟仿真，仿真积分时长设置为400 μs，仿真结果如图9所示。

图9 像素单元控制信号与积分电压仿真结果

对像素单元进行扫描仿真，设置探测器电流范围0～4.5 nA，步长0.5 nA，仿真电路输出电压值与激励电流对应情况，如图10所示。

图10 仿真不同激励下的积分电压结果

结论

本文论述了红外焦平面探测器读出电路电荷处理能力对探测器NETD的影响，针对减小读出电路KTC噪声，设计了一款小像元间距大电荷处理能力读出电路，电路设计通过采用DI输入级结构、优化设计MOSCAP和并联叠层MIM电容三种方法，提升了像素单元积分电容值，最终使读出电路实现了在ITR模式下10.92 Me⁻的电荷处理能力。经过仿真验证读出电路可以正常工作，且Ⅰ-Ⅴ线性度良好。

DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.011