CN109187375A - 一种基于标准cmos工艺的芯片级光谱检测器件 - Google Patents

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范柚攸
张志诚
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration

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Abstract

本发明提供的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，包括利用标准CMOS集成电路工艺集成的光谱检测芯片本体，该光谱检测器件具有体积小、重量轻、成本低等优点；而且，该器件可以和大规模集成电路完美兼容，便于后续信号的采样、处理和传输；光谱检测芯片本体包括入射光准直衍射模块和光强度感应模块，光强感应模块设置在入射光准直衍射模块的底部，用于接收通过入射光准直衍射模块衍射后的入射光；其中，入射光准直衍射模块包括m个平行排列的光学微腔体，光学微腔体的顶部形成有双层狭缝；通过不同的场强分布信息区分入射光的波长信息，从而实现光谱分析功能。

Description

一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件
技术领域
本发明涉及光传感装置领域，主要涉及一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件。
背景技术
光谱分析法速度快、操作简单、灵敏度高、选择性好、无需破坏检测对象，因而在各个领域迅速得到应用：无论是发现新的化学元素，探测生物分子结构，甚至是研究恒星演变规律，光谱分析法都发挥了巨大作用。
然而常见的光谱分析仪却存在着明显的局限性：(1)体积大、重量大。限制了测试的灵活性和应用的丰富性，增加了设备兼容和集成的难度。(2)成本高。抬高了光谱分析仪的使用门槛，不利于这项重要技术的广泛应用。(3)应用条件要求高，可靠性低。光谱仪内部的光学器件需要极高的装配精度，使用中要避免震动和干扰，稍微复杂的工作现场都可能导致测试精度的下降甚至设备的损伤，可靠性难以保证。由于这些局限性，开发微型化、经济型的光谱分析仪具有现实的迫切需求，也成为了许多厂家和研究机构的目标。
产生以上局限性的主要原因是传统光谱仪中需要用分立的光栅、透镜等构件精密组装成宏观尺度的光学通路，而近些年兴起的光电集成技术为光谱仪的微型化提供了技术可能。
目前，主流的微型光谱分析仪以硅光工艺为主，常用的技术手段有：微环调制技术、阵列波导光栅技术和光电探测技术等。硅光工艺具有出色的光信号处理能力，但其与CMOS集成电路工艺的兼容性问题限制了后端电信号的处理分析能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，解决了现有的微型光谱分析仪采用硅光工艺，但是单硅光工艺与CMOS集成电路工艺之间的兼容存在限制后端电信号的处理分析能力的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，包括利用标准CMOS集成电路工艺集成的光谱检测芯片本体，光谱检测芯片本体包括入射光准直衍射模块和光强度感应模块，光强感应模块设置在入射光准直衍射模块的底部，用于接收通过入射光准直衍射模块衍射后的入射光；
其中，入射光准直衍射模块包括m个并行排列的光学微腔体，每个光学微腔体的顶部形成有双层狭缝。
优选地，每个所述光学微腔体的四周侧壁是由若干层金属层堆叠而成，上下两个相邻的金属层之间设置有过孔；同时，光学微腔体底部的金属层与光强感应模块之间设置有通孔。
优选地，双层狭缝的宽度相等，且其宽度处于区间(λ0,10λ0)内；双层狭缝的长度相等，且该长度大于1000λ0，λ0为入射光波长范围。
优选地，光学微腔体的内腔中填充有透明的SiO2绝缘介质。
优选地，光强感应模块包括P型衬底(1)，所述P型衬底(1)上集成有N阱，所述N阱上集成有PN结的光电二极管；每个光学微腔体的底部对应设置有两个宽度相等的光电二极管，两个光电二极管以双层狭缝(3)为中心对称布置。
优选地，两个相邻的光学微腔体中的光电二极管的宽度采用渐变微差式结构，具体地：前一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W，与其相邻的后一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W+ΔW。
优选地，N阱的一端接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，利用标准CMOS集成电路工艺集成的光谱检测芯片本体，使得该光谱检测器件具有体积小、重量轻、成本低等优点；而且，该器件可以和大规模集成电路完美兼容，便于后续信号的采样、处理和传输，解决了现有技术中存在的硅光工艺与CMOS集成电路工艺的兼容性问题限制了后端电信号的处理分析能力的问题；
在光学微腔体的顶部设置双层狭缝，入射光经过微腔体顶部的双层狭缝后，垂直于入射面通过狭缝的光会发生衍射，并通过光强度感应模块将衍射光在腔体底部形成场强分布，这些不同的场强分布信息用于区分入射光的波长信息，从而实现光谱分析功能。
进一步的，两个相邻的光学微腔体中的光电二极管的宽度采用渐变微差式结构布置，这两个光电二极管的宽度差不受工艺特征尺寸的影响，此宽度差可以作为光谱检测的分辨精度。
进一步的，N阱的一端接地，忽略了P型衬底1与N阱2之间的PN结所产生的寄生电流，可以提高PN结的光电转换效率，提高光电流检测精度。
附图说明
图1是本发明中器件的部分剖面图；
图2是本发明中单个光学微腔体的剖面图；
图3是本发明中渐进微差布局示意图；
图4是本发明中狭缝的等效模型图；
图5是本发明中器件对于不同波长入射光的场强分布响应；
其中，1、P型衬底 2、N阱 3、双层狭缝 4、光学微腔体。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，包括利用标准CMOS集成电路工艺集成的光谱检测芯片本体，光谱检测芯片本体包括入射光准直衍射模块和光强度感应模块，光强感应模块设置在入射光准直衍射模块的底部，用于接收通过入射光准直衍射模块衍射后的入射光。
其中，入射光准直衍射模块包括m个平行排列的光学微腔体，每个所述光学微腔体的四周侧壁是由若干层金属层堆叠而成；同时，上下两个相邻的金属层之间设置有过孔。
所述光学微腔体的顶部形成有双层狭缝3，两个狭缝的宽度相等，且其宽度处于区间(λ0,10λ0)内；两个狭缝的长度相等，且该长度大于1000λ0，λ0为入射光波长范围。
所述光学微腔体的内腔中填充有透明的SiO2绝缘介质，SiO2既是一种良好的光导材料，也是一种性质稳定的支撑材料。
所述光学微腔体底部的金属层与光强感应模块之间设置有通孔。
光强感应模块包括P型衬底1，所述P型衬底1上集成有N阱，所述N阱上集成有PN结的光电二极管，所述光电二极管设置有两个，布置在光学微腔体的底部，且以双层狭缝3为中心对称布置。
如图3所示，两个相邻的光学微腔体中的光电二极管的宽度采用渐变微差式结构布局，即前一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W，与其相邻的后一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W+ΔW。
同时，N阱的一端接地，忽略了P型衬底1与N阱2之间的PN结所产生的寄生电流。
如图2所示，本实施例中，每个所述光学微腔体是由六层金属层堆叠而成，其中，第五层金属层和第六层金属层形成双层狭缝3，其中，第五层金属层和第六层金属层之间的腔体用于反射吸收非垂直入射光。
本发明的技术方案是基于基尔霍夫衍射理论，求解菲涅尔衍射条件下的场强分布，根据不同的场强分布情况反演入射光频率信息；入射光经过微腔体顶部的双层狭缝3后，垂直于入射面通过狭缝的光会发生衍射，在腔体底部形成场强分布，这些不同的场强分布信息可以区分入射光的波长信息，从而实现光谱分析功能。
光学微腔体可以抽象为图4所示的平面矩孔衍射模型，接收屏上点P的场强分布是光源P0经过衍射孔后各子波的相互作用结果，式(1)描述了接收屏上场强分布的数学关系。
在实际应用中，芯片尺寸限制了光路规模，接收屏与衍射孔之间距离不能视为无穷远。因此，光学微腔体的衍射问题转换为更复杂的菲涅尔衍射，其实质是求解如式(2)所示的菲涅耳积分。
由式(2)可知，接收屏上的场强分布与入射光波长、倾斜因子和衍射孔等参数有关。当不同波长的入射光照射到相同设计尺寸的光学微腔体上时，场强分布的差异通过光学微腔体底部的光电二极管以光电流形式表现。
如图5所示，不同波长的入射光在光学微腔体底部的场强分布曲线，不同波长入射光对应的场强分布曲线特征是不一样的，具体表现为场强分布曲线的波峰和波谷出现的数目和位置不同。

Claims (7)

1.一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，包括利用标准CMOS集成电路工艺集成的光谱检测芯片本体，光谱检测芯片本体包括入射光准直衍射模块和光强度感应模块，光强感应模块设置在入射光准直衍射模块的底部，用于接收通过入射光准直衍射模块衍射后的入射光；
其中，入射光准直衍射模块包括m个并行排列的光学微腔体，每个光学微腔体的顶部形成有双层狭缝(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，每个所述光学微腔体的四周侧壁是由若干层金属层堆叠而成，上下两个相邻的金属层之间设置有过孔；同时，光学微腔体底部的金属层与光强感应模块之间设置有通孔。
3.根据权利要求1所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，双层狭缝的宽度相等，且其宽度处于区间(λ0,10λ0)内；双层狭缝的长度相等，且该长度大于1000λ0，λ0为入射光波长范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，光学微腔体的内腔中填充有透明的SiO2绝缘介质。
5.根据权利要求1所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，光强感应模块包括P型衬底(1)，所述P型衬底(1)上集成有N阱，所述N阱上集成有PN结的光电二极管；每个光学微腔体的底部对应设置有两个宽度相等的光电二极管，两个光电二极管以双层狭缝(3)为中心对称布置。
6.根据权利要求5所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，两个相邻的光学微腔体中的光电二极管的宽度采用渐变微差式结构，具体地：前一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W，与其相邻的后一个光学微腔体中的光电二极管的宽度为W+ΔW。
7.根据权利要求5所述的一种基于标准CMOS工艺的芯片级光谱检测器件，其特征在于，N阱的一端接地。
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