关于CMOS传感器的串扰和量子效率仿真方法

Lumerical是Ansys公司开发的用于微纳光子器件、芯片及系统的设计仿真软件。Lumerical 的器件级仿真工具能考虑多物理场的光、电、热作用。系统级仿真工具包含了丰富的分析组，能协助使用者设计和优化光集成电路。这款软件应用广泛，能够帮助很多行业解决一些实际问题。

01 说明

在CMOS传感器中，光和电都可能引入串扰，是由于输入光的波动性质、不完美的滤色片以及光学叠层中的对准失配等，一些光将渗入相邻的子像素，在硅中产生电荷。此外，从目标子像素中吸收的光产生的电荷也可以扩散到相邻子像素中，并由相邻阱收集。

02 综述

在光学模拟中，该方法将遵循吸收功率的方法（参见2D示例），FDTD区域必须延伸到硅衬底中。Bloch边界条件将用于光学模拟中以某个角度入射的周期性，仿真区域将包含一个RGBG像素（四个子像素）。

生成率分析组

FDTD模拟中必须添加三个生成率分析对象，以记录和分析绿色和蓝色子像素中的吸收功率。您将注意到有三个生成率对象：一个仅位于蓝色通道下，一个仅在绿色通道下，另一个覆盖两者。对于CHARGE模拟，我们确实只需要生成对象覆盖蓝色和绿色通道下的两个区域的结果，但我们保留了其他两个分析组，以便在以后的计算中使用每个通道的Jsc输出结果。生成率分析组将：

平均y方向上的生成率，

重复x方向上的生成率（因为光学模拟是周期性的），

保存可导入CHARGE模拟的生成率文件。

分析组的选项卡设定如下所示：

入射角扫描

在cis_QE.fsp文件中的扫描任务设置为扫过7个角度点（0度到35度），对于每个角度，光源偏振角都设置为0度和90度，总共14次模拟。

每种情况下，生成率输出为.mat文件。由于我们需要非相干光结果，所以我们将两个偏振角模拟的结果相加。分析组返回乘以系数0.5的生成率以修正结果，因此当我们将两个极化结果相加时，我们将得到非相干源的平均生成率。

03 运行和结果

在FDTD模拟中运行扫描任务。扫描完成后，应在扫描文件夹中生成14个文件，这些文件是我们将加载到CHARGE模拟中的文件。同时FDTD中的扫描还会返回角度响应示例中讨论的相同结果，以生成光学效率。

角度响应示例可参考：https://opTIcs.ansys.com/hc/en-us/arTIcles/360042358574

生成速率和光学效率

在FDTD项目文件中，使用以下脚本行，使用上述示例中解释的方法绘制光学效率。该脚本还将保存蓝色像素下生成的电流，以便在CHARGE中进行进一步计算。

使用FDTD中的光学模拟计算光学效率(图示蓝线)。绿色像素中吸收的比例表示吸收光中的光谱串扰(图示绿线)。脚本也计算了蓝色像素下生成的电流以及功率，以进行进一步的后期处理。

在CHARGE模拟中，对象树中添加了一个生成组，其中包含所有角度的导入生成率数据和每个角度的两个极化。使用脚本文件cis_QE.lsf，为每个角度设置模拟，并启用相应的生成率数据。导入生成率数据现在将扩展到四个子像素（GBGB），表示该横截面中的平均生成率。

注意，每个角度都有两个极化，结果是两个极化的总和，因为导入生成对象是相加的。CHARGE模拟在DC稳态下执行，其中像素被偏置在其重置状态（TX门开启，RST门开启）。这将使像素状态保持在照明开始时（或对于持续照明的传感器，在初始电荷积分点）预期的条件下。

对于弱照明系统，这将提供对电串扰的准确估计，同时最小化仿真复杂性。用户参数“vdd”在模型中定义，可用于同时设置所有触点的直流偏压。例如下述脚本将向像素中的所有栅极和FD触点施加3.3V偏置。

求解器区域将扩展为包含四个子像素：相邻像素的蓝色（最左侧）和绿色（最右侧），以及感兴趣的绿色（非活动）和蓝色（活动）子像素。CHARGE求解器区域具有开放（非周期性）边界条件，通过规定没有电荷将被传输穿过半导体中的边界来强制电荷守恒。因此，模拟域的边界应被扩展以包括相邻的单元，使得子像素之间产生的电荷将在适当的接触处被正确地收集。模拟域必须包括每个子像素的触点，以正确设置系统上施加的偏置。

如果只运行一个模拟，则始终可以检查CHARGE对象的外部光学生成率结果。

内部/外部量子效率和串扰

运行cis_QE.lsf。对于每个模拟，设置都是网状的，并且还有一个“初始化”步骤。初始化将用于为求解器生成良好的初始猜测，这将需要大量的模拟时间。

模拟完成后，脚本的其余部分返回从每个颜色通道收集的电流，并确定串扰比例。该值表示为来自绿色和蓝色通道的总电流的比例。注意，电流小于用FDTD计算的理想值：两者的比率是内部量子效率（IQE）。结果绘制为光源角度的函数。

审核编辑：刘清