AnsysLumerical-針對CMOSimagesensor仿真中的角度響應(yīng)

第第頁AnsysLumerical|針對CMOSimagesensor仿真中的角度響應(yīng)說明在本例中，通過使用FDTD求解器和CHARGE求解器對CMOS圖像傳感器的光學(xué)和電學(xué)特性進(jìn)行仿真，從而分析其角度響應(yīng)。仿真的結(jié)果主要包括：光的空間分布與傳輸，光效率及量子效率與光入射角度的關(guān)系，同時還分析了微透鏡位移產(chǎn)生的影響。下載聯(lián)系工作人員獲取附件綜述CMOS圖像傳感器在亞波長范疇的吸收、散射和衍射及電荷的運動特征，通常需要聯(lián)合其光學(xué)與電學(xué)特性來仿真分析。因此，在本例中光學(xué)仿真將用于求解光場的分布、傳輸和效率等結(jié)果，同時仿真還分析了光入射角度和位移的影響。隨著步驟13中參數(shù)個數(shù)不斷增加（單模擬、角度/偏振掃描和角度/偏振/微透鏡位置的掃描），案例將分析不同參數(shù)與結(jié)果的復(fù)雜關(guān)系。最終，基于光學(xué)仿真（步驟2）得出的電荷生成數(shù)據(jù)將與電學(xué)仿真（步驟4）得出的加權(quán)函數(shù)相結(jié)合，分析求解出不同入射角度下的量子效率和串?dāng)_（步驟5）。注解：“像素（pixel）”的定義可能因應(yīng)用領(lǐng)域而有所區(qū)別。在本例中，光學(xué)仿真區(qū)內(nèi)有一個周期單元（unitcell），一個單元中有紅/綠/藍(lán)/綠四個像素，我們將周期單元中包含的紅/綠/藍(lán)/綠結(jié)構(gòu)稱為“像素”。這意味著一個單元中有4個像素，如下圖所示。步驟1：初始仿真模型中的傳感器以固定角度被平面波照射，運行仿真FDTD求解器將獲取每個像素中的場分布、傳輸和光學(xué)效率。在此步驟中將得到以下結(jié)果：光場分布Fieldprofile場監(jiān)視器將分別記錄紅/綠色像素和綠/藍(lán)色像素橫截面上的光場分布。因為光源的波長被設(shè)置為550nm（綠色），由于不同區(qū)域的波長選擇性不同，所以可以發(fā)現(xiàn)下圖中綠色像素處的監(jiān)視器中的透射較高。傳輸效率Transmission為了計算每個像素吸收的能量（光學(xué)效率），我們可以選擇僅在像素的耗盡區(qū)域上計算硅表面處坡印廷矢量在法線方向的分量Pz的積分。若想在目標(biāo)區(qū)域計算Pz的積分，最簡單方法是使空間濾波器（場監(jiān)視器）的尺寸與耗盡區(qū)域相同，再將其與Pz分量相乘。下圖分別是未過濾的Pz分量、耗盡區(qū)域和耗盡區(qū)的Pz分量。本例中，每個耗盡區(qū)的形狀接近一個1x1um正方形，但帶有圓角。光學(xué)效率Opticalefficiency光學(xué)效率定義為像素耗盡區(qū)域中吸收能量與光源發(fā)出能量的比值，定義為：通過對硅表面的Pz分量進(jìn)行積分，與光源發(fā)出的總能量進(jìn)行歸一化，可以發(fā)現(xiàn)約38%的能量被傳輸?shù)焦鑼又?。其中，兩個綠色像素的綜合效率約為33%，而紅色和藍(lán)色像素的效率分別約為0.5%。步驟2：角度響應(yīng)此步驟計算了光入射角度與光學(xué)效率和電子空穴對生成速率的關(guān)系。在此例中，生成速率結(jié)果將在y方向上求平均后以2D格式保存，以便兼容步驟5中的2D電學(xué)模型，來計算器件的量子效率。文件掃包含14個掃描點，由光源的7個入射角度和同一角下的2個極化方向交叉而成。在此步驟中將得到以下結(jié)果：光學(xué)效率不同像素的光學(xué)效率與光源入射角度的關(guān)系如下所示。從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，綠色光源的光效率在正入射時最大，在較大的入射角時減小。此外，角度響應(yīng)仿真還提供了光學(xué)串?dāng)_的測量方法，從圖中可以發(fā)現(xiàn)在綠色光源下，有部分光能量被紅色或藍(lán)色像素吸收了（反之亦然）。產(chǎn)生速率Generationrate掃描完成后將創(chuàng)建14個包含綠色/藍(lán)色像素生成速率的數(shù)據(jù)文件。下圖顯示了綠色/藍(lán)色像素中非偏振光（550nm）的生成速率。本示例收集的是“y”方向上的平均生成速率，并通過腳本生成其在方向GL(x,z)上的2D平均映射。這樣做的目的是使生成的2D生成速率與步驟4中CHARGE的2D仿真模型相兼容,從而節(jié)省電學(xué)仿真階段所需要的時間。步驟3：微透鏡位移本步驟中將計算出光學(xué)效率與光源入射角度及微透鏡位移關(guān)系的2D數(shù)據(jù)圖。掃描總共包括462個掃描點，由21個不同的微透鏡位移和對應(yīng)的2個偏振下的11個光源入射角度組成。下圖展示了每個像素在不同光源角度和鏡頭偏移時的光學(xué)效率。從綠色像素的結(jié)果可以看出不同入射角度下的最大光學(xué)效率，如黑色虛線標(biāo)記所示，位移隨角度的偏移量約為37nm/度。例如，如果光線以15度入射時，透鏡需要移動約555nm以獲得最大光學(xué)效率。步驟4：加權(quán)函數(shù)運行CHARGE求解器以獲得系統(tǒng)對基板中任意位置的電子空穴對的脈沖響應(yīng)（格林函數(shù)Green’sfunction）。由此，我們計算了一個空間變化的加權(quán)函數(shù)，該函數(shù)表示在空間中任何點生成的電子空穴對被特定像素的觸點收集的概率（本例中為綠色）。在這一步中，我們在CHARGE仿真中使用pointgenerationsource來確定器件的加權(quán)函數(shù)W(x,y,z)。W(x,y,z)表示對應(yīng)位置產(chǎn)生的電荷被特定觸點收集的概率。這種方法基于格林函數(shù)G(x,y,z)，通過分析可得每個觸點響應(yīng)特定位置脈沖源時的載流子密度n,p。載流子密度是通過仿真電荷運動分析出來的。為了確定完整的格林函數(shù)G(x,y,z)，根據(jù)腳本的指令，脈沖源的位置將沿著路徑r不斷移動，掃過整個仿真區(qū)域。下圖顯示了綠色像素的加權(quán)函數(shù)W(x,y,z)，表明當(dāng)電荷靠近綠色觸點（左上角）時，綠色像素的收集概率非常高。然而，它還表明，在藍(lán)色像素區(qū)域（x0）產(chǎn)生的一些電荷被綠色觸點收集的概率并非零。這表明相鄰像素之間存在一定的串?dāng)_串?dāng)_。步驟5：內(nèi)部量子效率和串?dāng)_在這一步中，我們將基于格林函數(shù)方法計算綠色像素的量子效率（QE）和綠色/藍(lán)色串?dāng)_。相關(guān)數(shù)量的定義如下：量子效率和串?dāng)_：依次加載步驟2中從不同角度掃描得到的14份生成速率數(shù)據(jù)，并將其與綠色像素的加權(quán)函數(shù)相乘。下圖顯示了常規(guī)角度入射時，非偏振光的GL(x,z)、Wgreen(x,z)和GL(x,z)*Wgreen(x,z)。通過對GL(x,z)*Wgreen(x,z)進(jìn)行積分并將其