近年来，随着数字化图像处理技术的发展，固态成像探测器件摄取的目标图像的光强从日光强度到月光强度，环境照度变化范围很大，要求EMCCD必须能够在复杂照度环境下探测清晰的图像^[1]，没有抗晕结构的EMCCD难以满足这种应用需求。文中分析抗晕结构工作原理，设计纵向抗晕像元，完成了具有抗晕功能的1280×1024 EMCCD制备，并进行了成像比对测试。

EMCCD工作过程中，当像元积累的信号电荷超过了饱和容量时，像元的积分电荷开始溢出，并被相邻像元收集，造成相邻像元信号电荷饱和，表现为图像出现亮斑和条纹，称为光晕^[2]。为了抑制光晕现象的发生，必须在像元中制作抗晕结构，提供过剩信号电荷的泄放通路。抗晕结构主要包括横向抗晕和纵向抗晕，横向抗晕工艺简单易于实现，但影响像元占空比导致量子效率降低；纵向抗晕虽然结构复杂工艺实现难度大，由于纵向势垒不占据像元感光面积，像元光收集效率不受影响^[3]，所以在EMCCD中应用广泛。

EMCCD纵向抗晕结构是通过外延层中P阱掺杂浓度的差异化，造成外延层静电势分布不均匀，在埋沟、P阱和外延层形成具有势垒的多余电荷快速泄放通道。当埋沟中信号电荷积累到一定数量导致埋沟电势与势垒相近时，多余信号电荷渡越过势垒在电场作用下进入外延层，实现快速泄放。具有纵向抗晕结构的EMCCD典型像元如图1所示^[4]。图中垂直方向表示从晶圆表面指向晶圆内部的方向，分别为N埋沟、P阱、N型外延。其中埋沟和P阱之间的势垒就是抗晕势垒，P阱与外延之间是信号电荷泄放的快速通道。图中水平方向表示信号电荷从光电二极管转移到垂直寄存器的方向，分别为N型光电二极管PhD、P型开关势垒、N型垂直寄存器VCCD。像元工作时，当积分期间曝光过强，埋沟信号过剩电荷渡越过垂直方向上的抗晕势垒实现信号电荷泄放；当积分期结束时PhD与VCCD之间开关开启，信号电荷转移到VCCD，控制栅关闭，开始下一次积分。

图  1  EMCCD纵向抗晕结构

Figure 1.  Vertical antiblooming structure of EMCCD

文中研制的1280×1024 EMCCD光敏区采用了内线转移结构，电荷检测单端输出模式，输出端有两个跟随输出放大器，分别是非倍增输出放大器和倍增输出放大器。成像系统可以根据应用环境的变化，控制EMCCD选择倍增输出或非倍增输出方式。EMCCD结构如图2（a）所示，该器件有效像元规模为1280×1024，像元中心间距为10 μm×10 μm，满阱电荷容量40 ke⁻，纵向抗晕倍数500倍。

图  2  1280 × 1024 EMCCD结构设计。（a） 1280 × 1024 EMCCD器件结构；（b）具有抗晕功能的像元简化结构；（c）像元二维模型

Figure 2.  1280 × 1024 EMCCD structure design. (a) 1280 × 1024 EMCCD device structure; (b) Simplified pixel structure with antiblooming function; (c) Pixel two-dimensional model

设计的EMCCD像元具有抗晕功能，简化结构如图2（b）所示。信号电荷在三面沟阻结构的像元内可以有效积分，像元制作在P阱内部有利于抗晕结构的制作同时也提高信号电荷转移速度。采用半导体数值分析的方法，设计纵向抗光晕结构二维像元如图2（c）所示，图中G表示控制栅，PhD表示光电二极管N区，PIN表示光电二极管表面箝位层，D是漏极，PW是P阱，Sub是外延。

在该像元中，PhD与P阱、P阱与Sub分别构成PN结，像元正常工作时两个PN结均处于反偏状态。随着光电二极管积分和信号电荷的产生，沟道电压不断降低，当沟道电压接近抗晕势垒静电势时，多余的信号电荷就会越过抗晕势垒在漂移扩散的作用下进入外延层^[5]。按照突变结近似理论，P阱与Sub之间的PN结耗尽区W_D可以用公式（1）表示：

式中：$ {\varepsilon }_{Si} $为硅的介电常数；N为P阱掺杂浓度；q为电子电量；$ {\psi }_{bi} $为PN节内建电势；V为PN节反偏电压；k为玻耳兹曼常数；T为温度。

当反偏电压为12 V，埋沟掺杂浓度为5×10¹⁴ cm⁻²时，室温下P阱耗尽层厚度超过4 μm，能够形成有效抗晕通道。但是在EMCCD实际工作中P阱外接直流偏置是3 V，而且P阱与Sub的PN结是一种非均匀掺杂的缓变结，同时考虑到外延压降、自建电势以及电极的肖特基势垒等因素，衬底电势至少要超过18 V才能在P阱与Sub之间形成信号电荷快速泄放的通路。

像元抗晕设计不仅要考虑在PhD、PW以及Sub之间产生有效信号电荷释放通路，同时还要研究过剩信号载流子的瞬时电流、通道阻抗以及积分时间等因素对于像元抗晕的影响^[6]。由于PW和Sub与衬底相比阻抗高，因此电流通过PW和Sub时会形成压降，而且较大的瞬时电流还会造成更大的压降。像元瞬时抗晕电流I₀，像元抗晕通道产生的压降ΔV₀可由下式表示：

式中：Q_sat表示像元满阱容量40 ke⁻；K_i是M×N EMCCD像元抗晕能力，以500倍计；t是像元积分时间，按30 ms计算，抗晕电流约为1.40×10⁻⁴ A；R是抗晕通道电阻；ΔV₀是抗晕通道产生的压降，按照目前EMCCD的材料和制程参数，抗晕通道电阻约为6 kΩ，ΔV₀约为0.8 V。

综合上述像元抗晕工作过程，分析器件物理模型，通过近似计算可以得出，采用图2（c）结构的EMCCD像元在外延电压不小于19 V时，具有不小于500倍的抗晕能力。为了进一步验证设计的正确性，应用半导体数值分析的方法，利用TCAD仿真工具，对图2（c）进行仿真验证，仿真初始条件是正常光照，Sub的电压是0 V，栅极G的电压是−5 V，漏极D的电压16 V，此时像元处于正常积分模式，像元二极管信号电荷积分情况如图3（a），信号电荷全部保存在像元中，处于有效积分状态。

图  3  像元正常积分（a）与像元抗晕（b）

Figure 3.  (a) Pixel integration and (b) pixel antiblooming

改变仿真初始条件，入射光强是像元满阱饱和输出时入射光强的500倍，衬底Sub的电压是20 V，栅极G的电压是−5 V，漏极D的电压16 V，仿真像元内积分电荷分布情况，得到图3（b）。从图3（b）的数据分析能够判断出，由于像元具有抗晕结构，在衬底偏置电压的作用下，像元依然正常积分，对照图3（a）和图3（b）中光电二极管信号电荷包，由于静电势作用图3（b）中信号电荷包变小，但信号电荷包电荷密度增加，所以积分电荷数量基本保持不变。但是过剩的信号电荷进行了有效撇除，体现出抗晕功能。

因此，通过理论分析、数值运算和仿真验证等方法证明了当前设计的像元抗晕结构、半导体制程参数以及时钟激励等能够同时达到满阱电荷、饱和输出、抗晕能力、光谱响应等参数的要求。

按照纵向抗晕像元设计的参数和结构，依托成熟的6 in （1 in=2.54 cm）、0.35 μm NMOS工艺平台，采用四层多晶硅、两层金属（4P2M）工艺进行EMCCD制备。衬底采用N型外延基片，光电二极管与垂直寄存器都制作在P阱上。

其中PW的阱深、杂质分布、阱的形貌特征会对像元抗晕功能产生重要影响，因此通过高温推阱工艺实现1280×1024 EMCCD的P阱掺杂；光电二极管与垂直寄存器之间的栅控开关对于像元信号积分、存储、转移等信号流过程控制具有关键作用，因此通过杂质注入实现栅控开关；像元垂直寄存器的遮光效果与像元弥散、串扰等参数相关，因此通过金属遮光层工艺实现光屏蔽。而且寄存器的电极排布、浮置扩散区工艺制作、输出放大器尺寸等EMCCD结构与工艺参数都会造成影响EMCCD整体性能。所以1280×1024 EMCCD复用了前期的研制成果，工艺稳定成熟。制作完成的1280×1024 EMCCD像元剖面示意如图4所示，图中PhD是光电二极管由N-形成，P-形成了光电二极管嵌位层和开关势垒，BCCD表示垂直寄存器，P+是沟阻区，多晶硅制作电极，金属层AL用于遮光。

图  4  1280×1024 EMCCD像元剖面示意

Figure 4.  Cross-section of 1280×1024 EMCCD pixel

图5(a)是已完成研制的EMCCD像元扫描电镜图，其中框处区域对应图4的单个像元，左侧为光敏区PhD，右侧为VCCD，被铝屏蔽层遮盖。1280×1024 EMCCD封装管壳与光窗采用气密性连接、管壳内充填低沸点、低导热率的气体进行保冷绝热，同时EMCCD应用了TEC制冷温度控制技术，通过器件制冷和气密性封装工艺，实现1280×1024 EMCCD TEC制冷封装保证EMCCD在−20 ℃状态下正常工作。图5（b）是1280×1024 EMCCD成品电路实物。

图  5  设计制备的1280×1024 EMCCD。（a）像元扫描电镜图；（b）封装后的器件

Figure 5.  Designed 1280×1024 EMCCD. (a) Scanning electron microscope of pixel; (b) Packaged device

按照GJB 7951—2012电荷耦合成像器件测试方法中抗弥散性能的测试原理、测试步骤以及规定条件，测试1280×1024 EMCCD成品电路抗晕能力，并根据测试数据绘制出衬底电压与EMCCD抗晕能力曲线如图6。根据图6中数据分析可以确定当衬底电压21.5 V时，EMCCD抗晕能力可以超过500倍，电路测试指标满足了设计要求。

图  6  EMCCD抗晕倍数与衬底电压关系

Figure 6.  Antiblooming factor curve of EMCCD as a function of substrate voltage

虽然通过增加衬底电势可以进一步提升抗光晕倍数，但随着衬底电势上升，像元中存储电荷的阱区与衬底简势垒也会随之降低，电荷满阱容量减少，成像效果变差，因此在实际的成像过程中，不能通过改变衬底电势的方式来提升抗光晕效果。

为了进一步验证1280×1024 EMCCD综合性能，利用现有成熟EMCCD驱动时钟时序设计技术和EMCCD图像信号采集运算处理技术，制作了一款原理样机用于在实验室环境验证1280×1024 EMCCD光电性能，原理样机实物如图7所示。

图  7  1280×1024 EMCCD原理样机

Figure 7.  1280 × 1024 EMCCD principle prototype

在实验室内利用这款相机，用超过饱和光强550倍点状光源直射相机，抗晕电压21.5 V，同时应用相机对分标率测试卡进行成像功能测试。成像情况如图8所示。

图  8  EMCCD抗晕能力成像效果。(a)~(h)未启用抗光晕；(i)~(l)启用抗光晕

Figure 8.  Imaging effect of EMCCD antiblooming. (a)-(h) Antiblooming off; (i)-(l) Antiblooming on

从图8(a)~(f)成像情况可以看出，当光源打开但光很微弱时相机可正常成像，逐渐增大光强，图8(g)~(h)成像产生光晕，打开抗光晕功能，图8(i)~(j)可以有效消除光晕现象。由于抗光晕能力存在上限，继续增加光强，图8(k)~(l)依然会产生光晕。相机无抗晕能力时，图像有明显纵向光晕现象，而且强光还造成了图像分辨率下降，当相机具有抗晕能力时，纵向光晕消失光晕缩小成点状光斑，而且图像分辨率有明显提升，图像细节内容可辨识。

近年来EMCCD作为一种新型CCD发展迅速，现在已广泛应用于目标定位、空间侦察、电子对抗等军事领域，同时在气象资源、工业检测和医学诊断等民用领域也有不错应用前景^[7]。文中研制的1280×1024 EMCCD具有纵向抗晕、电子快门低噪声、宽动态等优点，显著提高了EMCCD环境适应性，未来必将推动EMCCD在各个领域得到更广泛的使用。