Experiencias en diseño y prueba de fotodetectores en circuitos integrados stándard : del fotodiodo a la cámara CMOS

Abstract

Las facilidades de diseño se extienden cada vez mas, y hoy es posible pensar en sistemas fotodetectores a medida, en tecnologías estándar ya sea analógicas o digitales. El presente trabajo revisa por un lado las posibilidades de trabajo con fotodiodos en circuitos integrados CMOS, así como plantea el diseño y muestra resultados de la prueba de dichos dispositivos. Para caracterizar los mismos se diseñaron y fabricaron las siguientes estructuras: cuatro fotodiodos de diferentes tipos, y una línea de 32x1 fotodiodos con circuitería APS para cada pixel, que es la base de las cámaras digitales modernas. Este trabajo pretende ser un primer paso en el diseño de sensores ópticos con su detección y procesamiento de señal primario incorporado. La primer sección parte del fotodiodo hasta la cámara CMOS indicando las dificultades y las soluciones de diseño en un marco general, presentando también los diseños concretos enviados a fabricar. En la segunda sección se muestran los resultados de la caracterización de los fotodiodos, incluyendo curvas características y respuesta espectral. Finalmente trabajando sobre la respuesta espectral medimos el grosor de las capas de nitruro y óxido que recubren al silicio en la tecnología empleada.

Design facilities are widely extended and nowadays it is possible to think in custom photonic-detection systems in standard technologies both analog or digital. The present work reviews the design possibilities of photodiodes in CMOS integrated circuits as well as it present the design and test results obtained with characterization circuits. For this characterization we have designed the following structures: Four different type photodiodes, and a 32x1 array of photodiodes with APS circuitry that is the base of modern digital cameras. This work pretends to be a first step in the design of optical based sensors with integrated detection and primary signal processing. The first section starts with the photodiode and ends with the CMOS camera, indicating on each step the difficulties and design solutions. It is also presented the concrete test design that has been fabricated. In the second section we show the results obtained in the characterization of photodiodes including characteristic curves and spectral response. In the end we apply this spectral response to measure the thickness of the oxide and nitride layers that cover the silicon in the process employed.