16x2像素测试阶段报告

韩立镪

2012.4.15

一 . 测试流程进一步完善固定光强，改变积分时间

固定积分时间，改变光强

25 30 35 40 45 50 55 60 650.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

(ADU*ADU)

方差

(ADU)输出均值0 20 40 60 80 100 120

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

ADU

Variance

#22的 1号像素为例，对于第二种方法，曲线在低信号区域可以更方便的多取样点，且更加线性

采用固定积分时间方法优点 2 ：

避免 FPGA开关拨动 (改变积分时间 ) ，这样可能对测试环境产生意外影响，产生暴走点

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.140

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

/lux.s曝光量CDS

/V输出均值

对于外接 ADC offset的测试完善 经过反复测试， ADC offset对于环境极其敏感，而其测量值的偏差会直接引起 PTC曲线的平移，引起参数计算误差

同一天上下午的测量，环境温度均在 21.5℃左右时间段1

1058.4 1058.5 1058.5 1058.6

时间段2

1062.4 1062.5 1062.5 1062.6 同一时间段，但芯片没有稳定工作 10分钟以上，连续采样 样本 1 1058.4 1058.5 1058.5 1058.6

样本 2 1056.5 1056.6 1056.6 1056.7

样本 3 1054.4 1054.5 1054.5 1054.5

*以上每个样本均采样 1000次，数据取自 #18号芯片 1~4号像素

综上：

每块芯片的测量，光响应和 ADC offset要成组连续测量，一一对应，不可分开测，中途不可打开暗箱

光源设置一定准确： 1 是光源仪器数值， 2是芯片距光源距离

二 . 测试数据分析以及启示 A、 2 号像素不同工艺下 FD+SF电容值的大偏差

电容fF

像素号

2 号像素电容测试值 3 种工艺条件下偏差可达 50%，远超过其他像素的偏差分别为 :11.91,18.76,16.46 fF

具体版图对比

二号像素

一号像素

FD

SF

若不考虑电容非线性，两种结构的FD pn结电容与 SF栅电容之和相等

但实际 PN结电容随电压降低而增大

SF栅电容随电压降低而减小#18#21#22对应 2 号像素阱容量分别为：1744、 3908、 19633 综合阱容量考虑：若光信号较弱，即信号电压与复位电压相差不大， SF栅电容非线性将非常明显，影响像素性能

计算值与测试值比较

设计电容公式： 0.55xSFD+0.45xCFD+1.2fF其中 1.2fF代表 0.6x1um2源跟随器等效电容对比计算值与实际测试值 *：

*计算值已乘一个 0.85的 SF增益

fF

其中红圈代表计算值与实际值差别较大，尤其是 2 号像素，其源跟随器电容比例很大， 1 、 7 号也是如此。主要由源跟随器电容的超出预期的非线性引起

B.#18与 #22工艺阱容量的预测偏差

#18、 #22工艺区别在于栅前一次的 CPI注入剂量

CPI1CPI2

#18:3e12 #22:4e12 阱容量 (e) vs. 像素号

测试结果表明： #22阱容量均大于 #18

区域 A区域 B

CPI1对阱容量影响初步分析

对于区域A ， CPI增加会帮助耗尽 PD n型区域，提高阱底

对于区域B， CPI增加会降低其电势，即增加电子通道的势垒

减小阱容量

增加阱容量

而仿真软件结果： #18工艺阱容量应大于 #22，即前者对其影响大

C.#22工艺设置初衷

#22增加 CPI1剂量为减小暗电流1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 16

#22暗电流_21.5℃(e/s) 2345 3665

13078

21197

19150 7956 2456

17305 6838 3264

17807

132465

81421

#18暗电流_22℃(e/s) 5910 8298

20093

26369

26106

16165 5197

17820

11934 6455

24432 42964

29445

初步测试结果表明，#22暗电流性能要优于#18但是测试结果的稳定性很差，对各种因素非常敏感，所以#22

相比#18的优越性仍需要反复测试验证 综合阱容量与暗电流性能，#22皆优于#18，之后流片可以考虑以#22的 CPI1剂量为标准，甚至增加*思比科有 5e12的工艺流片

D.关于 Hot Pixel

以前 10种像素为例1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

#21 2160. 537 2118. 174 10063. 35 8492. 442 10400. 45 6553. 642 5149. 449 10110. 66 8671. 609 62036. 66#22 2345. 92 3665. 16 13078. 34 21197. 92 19150. 26 7956. 007 2456. 611 17305. 94 6838. 373 3264. 724#18 5910. 234 8298. 869 20093. 54 26369. 64 26106. 93 16165. 47 5197. 455 17820. 13 11934. 98 6455. 231

虽然工艺条件不一样，但是暗电流也应符合对应的量级关系。红色框内暗电流明显比同种工艺条件下的其它值大一个量级；而对比其它工艺条件下， 10号像素的暗电流应该小很多。有理由认为这个像素是个例，构成一个 Hot Pixel，在暗光条件下会形成亮点。

从版图看#22 10号像素

栅为N型，推测其对对版误差更敏感

比如对于 CPI1，向上、左、右偏皆会使区域B的 P型掺杂减少，成为潜在的暗电流来源

所以非常有必要对像素的稳定性做一个统计 故未来流片，对于同一种结构的像素需要做成

32x32或 64x64的面阵

E.关于读出噪声测试 以#18为例，若噪声以e-为量纲 若以 ADU为量纲

Readnoise(e)&K(e/AD

U)

Readnoise(ADU

)

推断噪声主要由外接 ADC引起，实际像素噪声应该小于测量计算值 (e)

F.关于阱容量的相对值

以#21/#22与#21/#18做对比

蓝色： FWC21/FWC22 VS. Num棕色： FWC21/FWC18 VS. Num

以实际 3 维器件为准，测试结果表明阱容量不是简单的与PD面积成正比

对于#22与#18(CPI1的区别 )， 4 号像素阱容量几乎没有变化

4 号像素版图 其 TX长度相比其他种类大像素小很多

认为#18与#22区别的 CPI1剂量对其阱容量的影响非常小

#18#22

对于实际 3 维器件阱容量初步估算：

实际拟合结果来看，此式只对 #22与 #18比较规整的像素较吻合，其系数分别为 : #22 #18

α560.137

8479.749

9β 360.21 352.195γ 298.9 312.549

G.关于 shot noise曲线

103

101

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

1 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

2 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

3 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

4 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

5 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

6 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

101

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

7 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

8 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

9 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

10 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

11 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

12 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

13 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

102

103

104

105

101

102

103

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

14 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯

(e)输出均值

15 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

103

104

102

ShotNoise(e)

纯(e)输出均值

16 ShotNoise- ( 0.5)号像素纯 输出均值 直线斜率

#18

102

103

104

105

101

102

103

102

103

104

105

101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

104

105

106

101

102

103

103

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101

102

103

102

103

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105

101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

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101

102

103

103

104

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101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

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105

101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

104

105

101

102

103

103

104

105

106

101

102

103

103

104

105

106

101

102

103

#21

#21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Sensi t i vi ty(V/ l ux. s) 4. 6611 3. 044 11. 1145 15. 0743 4. 7524 4. 2213 4. 0014 6. 3913 4. 2799 6. 3621 3. 2359 4. 4781 4. 8251 4. 1614 4. 9034 5. 0292Conversi on Gai n(μ V/ e) 15. 7326 13. 4314 13. 6189 20. 6645 6. 181 8. 6373 21. 2454 9. 7401 10. 3309 14. 6709 4. 9339 9. 0729 7. 9834 1. 365 6. 7945 6. 1223

K(e/ ADU) 51. 2097 59. 9837 59. 1579 38. 9879 130. 3458 93. 277 37. 9218 82. 7158 77. 9856 54. 9158 163. 2912 88. 7993 100. 9171 590. 2336 118. 5764 131. 5941Dynami c Range(dB) 54. 2669 53. 7798 64. 8075 62. 6825 64. 1023 62. 3399 57. 3074 59. 9811 61. 7771 63. 6994 47. 126 55. 3577 59. 5134 46. 1294 62. 5981 63. 7707

FD+Sf ( f F)电容 10. 1699 11. 9124 11. 7484 7. 7428 25. 8859 18. 5243 7. 531 16. 4269 15. 4875 10. 9059 32. 4286 17. 635 20. 0415 117. 2168 23. 5486 26. 1338满阱容量 17745 19633 71610 39022 143300 86883 18574 90758 69758 59999 90352 49172 68725 81783 135359 145323

read noi se(Ti nt=150us)160us(e) 34. 3353 37. 3073 41. 1717 28. 6538 89. 3577 66. 3656 25. 3243 90. 9567 56. 8516 39. 1902 397. 7761 83. 9147 72. 6854 403. 8303 100. 3655 94. 146read_noi se(Ti nt=150us)320us 44. 8412 52. 7561 56. 2882 37. 5587 115. 5003 84. 5308 33. 1799 73. 5376 68. 9581 46. 4528 369. 9448 79. 9902 93. 0656 525. 1446 126. 2121 124. 0768

SNR_Max(dB) 41. 3897 41. 553 51. 4568 45. 8823 51. 4117 49. 2953 43. 0123 49. 379 48. 6272 48. 1801 45. 1743 46. 4243 48. 2289 39. 6907 50. 8614 51. 3202_ (e/ s)暗电流 室温 2160. 537 2118. 174 10063. 35 8492. 442 10400. 45 6553. 642 5149. 449 10110. 66 8671. 609 62036. 66 28184. 35 22850. 83 11198. 77 229704. 2 261723. 9 243812. 9

Sensi t i vi ty拟合点 1~29 1~33 34 28 50 52 35 43 50 42 42 35 38 15 50 49K拟合点 1~28 1~28 31 23 50 52 32 43 44 40 45 32 35 19 51 49满阱拟合点 30 34 36 29 56 54 38 46 52 46 45 38 41 20 56 54

SNR WORD曲线见

#22(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Sensi t i vi ty(V/ l ux. s) 4. 4306 2. 5835 10. 8983 15. 1779 4. 7906 4. 0989 3. 8284 6. 1283 4. 1006 5. 8558 4. 3705 4. 9476 5. 0083Conversi on Gai n(μ V/ e) 12. 8311 8. 5275 14. 4234 19. 3796 6. 2033 9. 8361 17. 4933 9. 3944 8. 7734 12. 9818 7. 668 6. 6857 6. 6163

K(e/ ADU) 62. 7902 94. 4781 55. 8581 41. 5728 129. 8763 81. 9088 46. 0557 85. 76 91. 8303 62. 0611 105. 0678 120. 5063 121. 7687Dynami c Range(dB) 35. 4073 35. 9413 58. 5163 61. 3268 50. 5896 49. 1343 40. 5171 52. 7197 48. 3936 47. 6803 42. 3143 51. 0515 48. 4506

FD+Sf ( f F)电容 12. 4697 18. 7628 11. 0931 8. 2561 25. 7927 16. 2666 9. 1464 17. 0314 18. 2369 12. 325 20. 8658 23. 9318 24. 1825满阱容量 2745. 672 3908. 985 34800. 31 36166. 05 30648. 9 16298. 89 3473. 521 27251. 61 17099. 2 10747. 28 10107. 08 30696. 65 23194. 47

read_noi se(Ti nt=150us)320us 46. 589 62. 3733 41. 2827 31. 043 90. 56 56. 9435 32. 7278 63. 01 65. 057 44. 3901 77. 4298 86. 0035 87. 6708SNR_Max(dB) 32. 203 32. 7445 45. 9781 45. 4795 43. 6644 42. 438 34. 9787 43. 9708 41. 7971 40. 0173 37. 8748 44. 2341 43. 3812

_21. 5℃(e/ s)暗电流 2345. 92 3665. 16 13078. 34 21197. 92 19150. 26 7956. 007 2456. 611 17305. 94 6838. 373 3264. 724 17807. 81 132465. 5 81421. 71Sensi t i vi ty拟合点 10 15 35 38 33 26 18 34 31 25 22 34 25

K拟合点 11 15 35 38 33 26 14 34 31 25 22 34 25满阱拟合点 12 19 39 39 36 36 23 37 35 29 24 37 33

SNR WORD曲线见特别说明 线性度相当不好 方差均值曲线有阶跃点 曲线太烂，不予计算 响应太小，无法计算响应太小，无法计算

#18(S) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Sensi t i vi ty(V/ l ux. s) 4. 0823 2. 4836 11. 1187 15. 6856 4. 9165 4. 145 3. 6948 6. 175 4. 1444 5. 8137 4. 2644 4. 9663 5. 0793Conversi on Gai n(μ V/ e) 13. 4269 9. 7188 14. 1653 20. 3793 6. 7287 8. 9108 17. 5504 10. 0453 9. 2022 13. 2125 8. 2004 6. 6111 6. 9907

K(e/ ADU) 60. 0039 82. 8975 56. 8759 39. 5335 119. 7346 90. 4147 45. 9058 80. 2031 87. 5512 60. 9775 98. 2467 121. 8659 115. 2477Dynami c Range(dB) 32. 2802 30. 4821 57. 45 61. 2407 49. 9761 47. 7588 34. 5087 49. 8359 46. 7784 45. 8734 41. 4207 48. 8662 47. 86

FD+Sf ( f F)电容 11. 9164 16. 4629 11. 2952 7. 8511 23. 7786 17. 9558 9. 1166 15. 9278 17. 3871 12. 1098 19. 5112 24. 2018 22. 8875满阱容量 1662. 364 1747. 418 28030. 34 31385. 33 24532. 37 14358. 81 1671. 282 17511. 8 12653. 94 7972. 93 7492. 098 22773. 04 18524. 92

read_noi se(Ti nt=150us)320us 40. 4312 52. 2744 37. 595 27. 2076 77. 7917 58. 7731 31. 4495 56. 4332 57. 9838 40. 5458 63. 6161 82. 0561 74. 9474SNR_Max(dB) 29. 1409 28. 4364 44. 9151 45. 1829 42. 9001 41. 0059 30. 2494 41. 9304 40. 6086 38. 6585 37. 1667 42. 6869 42. 2656

_22℃(e/ s)暗电流 5910. 234 8298. 869 20093. 54 26369. 64 26106. 93 16165. 47 5197. 455 17820. 13 11934. 98 6455. 231 24432. 48 42964. 13 29445. 21Sensi t i vi ty拟合点 8 10 31 33 31 30 9 27 28 22 19 29 23

K拟合点 8 10 31 33 31 30 9 27 28 22 19 29 23满阱拟合点 9 11 35 37 34 33 13 32 32 25 22 33 31

SNR WORD曲线见特别说明 SF电容非常不线性

pass pass pass

pass pass pass