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基于CMOS SOI技术的嵌入式紫外线传感器，对UVC具有高灵敏度
2022-02-11 21:12:34 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

论文重点研究了SOI紫外线传感器在高紫外线剂量辐射后的退化以及降低退化影响的方法，所开发技术的主要特点是使用高电压串联PIN SOI二极管、短波紫外线透明CMOS后端，并使用标准CMOS的非自对准金属硅化物多晶硅层作为差分方法中的紫外线滤光片。

据麦姆斯咨询报道，近日，以色列Tower Semiconductor研究人员在Sensors期刊上发表了基于CMOS绝缘体上硅（Silicon On Isolator，SOI）技术的嵌入式紫外线（Ultra-violet，UV）传感器的最新论文，实现了在短波紫外线（UVC）范围内超过0.1 A/W的响应。与其他嵌入式方案相比，该论文中的设计方案采用量产CMOS SOI技术实现，无需额外掩模，对短波紫外线（UVC）具有高灵敏度。

（a）由硅化物N+、P+和I区（Li）串联的PIN光电二极管传感器示意图；（b）带有触点的横向PIN二极管的横截面示意图。

图1 （a）由硅化物N+、P+和I区（Li）串联的PIN光电二极管传感器示意图；（b）带有触点的横向PIN二极管的横截面示意图。

紫外线传感器在灭菌、火焰监测、UV光谱、UV固化过程、太阳指数测量、UV通信等领域有着广泛的应用。这些应用的目标波长为长波紫外线（320 nm至380 nm，UVA）、中波紫外线（280-320 nm，UVB）和短波紫外线（200-280 nm，UVC）波长范围。

在过去的几十年里，通过紫外辐射进行灭菌已经是一项广泛使用的技术。紫外辐射在消除空气和水中以及不同表面上的危险微生物方面非常有效。新冠肺炎（COVID-19）的流行引发了人们对使用紫外线进行消毒的更多兴趣。多个研究小组再次证实，紫外线可以有效杀死包括2019新型冠状病毒（SARS-CoV-2）在内的多种病毒。中波紫外线和短波紫外线对新冠病毒RNA具有破坏性，而波长小于260 nm的短波紫外线也会破坏新冠病毒的蛋白质外壳。

据报道，有效消毒所需的紫外辐射剂量在几十mJ/cm²范围内，具体取决于UVB/UVC的波长、表面特性和不同的环境。新冠病毒的灭菌需求强烈刺激了杀菌汞灯、UVC LED和各种紫外辐射系统的生产。灭菌领域的最新创新主要集中在辐射装置中集成的测量UVC/UVB辐射参数的器件上。有必要确保处理过的表面获得足够的灭菌剂量。

紫外线传感器被用于保障紫外辐射地方（如房间、汽车、机舱等）的人员安全。为了保证消毒的效率，有必要在特定位置以及在强烈的可见光和红外（IR）照明下测量紫外线的辐射剂量。如果要实现智能紫外线监测功能，那么需要大量此类紫外线传感器。通常，人们希望将它们用作无线传感器网络的感知元件。该网络系统需要包含传感器和低功耗通信功能的低成本集成解决方案，如传感节点的射频识别（RFID）和Wi-Fi连接。研究人员已经开发了一些解决方案将紫外线传感器嵌入CMOS电路；这些技术在核心CMOS工艺流程中采用额外的掩模，通常在UVC/UVB范围内具有低响应。

在其它论文中，人们研究了SOI晶圆薄硅中的横向PIN二极管作为紫外线传感器的候选器件。例如，OKI/LAPIS公司开发了基于薄硅层PIN光电二极管的ML8511紫外线传感器（LAPIS Semiconductor，日本横滨），并提供模拟信号输出。这些传感器可以探测280-360 nm的紫外线，并被证明能有效地控制太阳光谱中“晒黑射线”（UVA/UVB）的强度。然而上述OKI紫外线传感器的灵敏度在短波紫外线范围内显著降低。

论文作者们在申请的专利中建议将横向PIN SOI二极管串联以增加光电压。该解决方案经过优化，可用于设计短波紫外线传感器。在论文中，作者们报道了集成到大批量生产射频（RF）SOI CMOS平台中的横向PIN二极管的性能，以及能够提高对短波紫外线灵敏度的设计方案。文中重点研究了SOI紫外线传感器在高紫外线剂量辐射后的退化以及降低退化影响的方法，所开发技术的主要特点是使用高电压串联PIN SOI二极管、短波紫外线透明CMOS后端，并使用标准CMOS的非自对准金属硅化物（non-salicided）多晶硅层作为差分方法中的紫外线滤光片，因此与其他技术相比，基于CMOS SOI技术的嵌入式紫外线传感器对短波紫外线具有高响应。

“厚”、“薄”SOI和“块状”PIN二极管的截面示意图