讀出電路將紅外探測器二極管激發產生的光電子收集、積分成為電壓信號并按序讀出，使其變成后端系統可讀的電信號，是紅外焦平面探測器的重要組成部分。電荷處理能力作為衡量讀出電路的一項重要指標，探測器的性能以及某些應用條件下要求讀出電路具有大的電荷處理能力。
焦平面紅外探測器的核心是如圖1所示的探測器陣列與讀出電路倒裝互聯在一起的混成芯片，其工作原理是探測器陣列在視場內受到特定波段的紅外光激發，每個像素單元產生微弱的光電流，這些電流通過銦柱流入或流出與之相對應的讀出電路的像素級，通過時序的控制，在像素級的積分電容上產生與光電流相應的電壓信號，然后讀出電路按序輸出給后端采集系統成像。
圖1 焦平面探測器混成芯片結構示意圖
據麥姆斯咨詢報道，近期，中電科光電科技有限公司的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發表了以“大電荷處理能力紅外探測器讀出電路像素設計”為主題的文章。該文章第一作者為楊斯博。
本文介紹一種具備大電荷處理能力的模擬讀出電路像素級設計，在15 μm像元間距內最大積分電容達到832 fF，最大電荷處理能達到10.92 Me?，且具備良好的線性度。
動態范圍（DR）和噪聲等效溫差（NETD）是衡量紅外探測器靈敏度的主要指標。由于本探測器需要在110 K這個相對較高的溫度下工作，探測器的暗電流會隨著工作溫度的升高而迅速增大，從而對探測器的最終信噪比造成嚴重影響，從而造成NETD數值升高，成像質量不佳。從讀出電路著手考慮，需要在讀出電路噪音中需要將KTC噪音降到最低。KTC噪聲是像素單元因復位動作而產生的一項噪聲。
從設計的角度考慮減小KTC噪聲，Cp作為分母項，可以通過設計盡可能大的積分電容達到減小KTC噪聲的目的，電路的積分電容越大，KTC噪聲Vn就會越小，相應的紅外探測器性能指標也會越好。
電路的積分電容布置在像素單元內，一般采用MOS電容設計，其單位面積電容密度較大。版圖設計要遵守符合半導體集成電路制造可靠性的最小的設計規則，圖2列舉出一些版圖設計規則。
圖2 0.18 μm工藝設計規則
設計規則中構成的MOS管的金屬和金屬、多晶硅與多晶硅，N阱與NMOS之間有嚴格的距離限制，違反這些規則可能導致制造工藝失敗從而引起電路失效。由于本款電路像元中心間距僅為15 μm，因此在非常有限的像素區域內很難布置出大的積分電容，這對像素單元的版圖設計是不小的挑戰。本次設計采用如下三個方法提升像素的積分電容。
輸入級結構選型
讀出電路像素的輸入級直接通過銦柱與探測器相連，常用的輸入級結構主要有以下幾種：自積分（SI）、直接注入型（DI）、源跟隨器型（SF）、電容跨導放大器結構（CTIA）等，各種結構在噪聲、占用面積等方面各有優劣，性能對比見表1所示。
本次設計選擇DI搭配SF的像素級結構，這種結構在噪聲表現、線性度和占用面積方面均有不錯的表現，其典型結構如圖3所示。
圖3 輸入級結構
優化MOS電容設計
集成電路版圖設計一般調用PDK中標準的MOS器件，通過設置寬、長參數以及插指數便可直接得到MOS器件的版圖圖形，如圖4所示。這種方法十分方便，缺點是這樣調用的MOS器件均是規整的矩形，無法充分利用像素面積。采用自定義設計的積分電容MOS器件，手動按層繪制，可以設計出不規則圖形的MOS器件，通過細微調整，在滿足DRC規則的前提下，可以充分利用像素空間，優化后的MOS電容如圖5所示。
圖4 典型PCELL MOS器件版圖
圖5 自定義設計MOS器件版圖
采用立體垂直式MIM電容疊層設計
多層金屬布線集成電路工藝的金屬與金屬之間通過絕緣鈍化層隔離，在兩層導體之間夾雜絕緣介質的結構形成了天然的電容器，這種電容器稱為MIM電容器，結構如圖6所示。像素單元中的積分電容采用MOS管的柵氧化層電容，但是受像素單元面積限制不能做的很大。MIM電容結構在集成電路后道工藝中制作，不占用MOS器件結構的面積，在底層的MOS電容無法再增大的情況下，可以在MOS電容上方并聯疊加MIM電容，充分利用像素單元縱向空間結構，達到增大積分電容的目的。
圖6 MIM電容器結構剖面圖
因為MIM電容的上下極板均為金屬，在進行版圖設計時要綜合考慮貫穿像素陣列的橫向和縱向信號線，預留走線空間。還要在數字信號線與敏感模擬節點間布設屏蔽金屬層，避免數字信號對模擬節點通過寄生的干擾。經過幾十種布線方案的迭代，最終確定疊加MIM電容的尺寸分別為11 μm2、25.25 μm2、8.09 μm2，按照其電容密度2 fF/μm2計算，最終MIM電容大小分別為22 fF、50.5 fF、16.18 fF。像素中并聯疊加的MIM電容如圖7所示，其中METALTOP為MIM電容的上極板，METAL5為MIM電容的下極板。像素設計最終的完整版圖如圖8所示。
圖7 像素中并聯的MIM電容
圖8 像素單元完整版圖
使用ADE軟件對電路進行模擬仿真，仿真積分時長設置為400 μs，仿真結果如圖9所示。
圖9 像素單元控制信號與積分電壓仿真結果
對像素單元進行掃描仿真，設置探測器電流范圍0～4.5 nA，步長0.5 nA，仿真電路輸出電壓值與激勵電流對應情況，如圖10所示。
圖10 仿真不同激勵下的積分電壓結果
本文論述了紅外焦平面探測器讀出電路電荷處理能力對探測器NETD的影響，針對減小讀出電路KTC噪聲，設計了一款小像元間距大電荷處理能力讀出電路，電路設計通過采用DI輸入級結構、優化設計MOSCAP和并聯疊層MIM電容三種方法，提升了像素單元積分電容值，最終使讀出電路實現了在ITR模式下10.92 Me?的電荷處理能力。經過仿真驗證讀出電路可以正常工作，且Ⅰ-Ⅴ線性度良好。
DOI: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.12.011
