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1、d o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 3 5 3 x 2 0 11 0 2 0 0 3标准C M O S 工艺光电二级管及光标签的研制魏琪，张春(清华大学微电子研究所，北京1 0 0 0 8 4)摘要：提出了一种作为无源射频(R F I D)识别标签电源的光电二极管。此方案采用光电转换获取能量的方式替代传统电磁辐射获得能量的方式，克服了传统方案中R F I D 读写器辐射强且R F I DT a g 抗干扰能力差的缺点。光电二极管采用标准U M C0 1 8 mC M O S 工艺制作在R F I DT a g上。研究了光电s-极管的光伏及伏安特性，并给出了实
2、验结果；使用低压测试电路对制作完毕的P D 进行了功率输出性能实验，实验结果证明P D 满足设计指标和后续电路的使用要求；对实验数据进行系统建模和参数估计，建立了可以应用于C a d e n c e 仿真环境的光电二极管模型；最后，利用仿真模型进行光标签的设计，流片测试结果证明了光标签的可行性。关键词：射频识别；互补型金属氧化物半导体；光电二极管；仿真模型；光标签中图分类号：T N 3 6 4 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 3 5 3 X(2 0 1 1)0 2 0 1 0 4 0 4R e s e a r c ho fP h o t o d i o d e sa n dO p t
3、 i c a lT a g si nS t a n d a r dC M O SP r o c e s sW e iQ i，Z h a n gC h u n(I n s t i t u t eo fM i c r o e l e c t r o n i c s，T s i n g h u aU n i v e r s i t y，B e i j i n g1 0 0 0 8 4，C h i n a)A b s t r a c t：Ap h o t od i o d e(P D)a st h ep o w e rs u p p l yo fp a s s i v eR F I Dt a g sw
4、 a sp r e s e n t e d T h ee n e r g yw a so b t a i n e db ye m p l o y i n gt h ew a yo ft h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ni n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lw a yt oo b t a i nt h ee n e r g yf r o me l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n T h i st e c h n o l o g yw a
5、 su s e dt oo v e r c o m et h es t r o n gr a d i a t i o ni n t e n s i t yo ft h eR F I Dr e a d e ra n dt h es h o r t c o m i n g so fp o o ra n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h eR F I Dt a g T h eP Di n t e g r a t e di n t ot h eR F I Dt a gw a sf a b r i c a t e db yU M C0 1 8I
6、 x mC M O Ss t a n d a r dp r o c e s s T h ep h o t o v o h a i ca n dv o l t-a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eP Dw e r es t u d i e da n dt h et e s tr e s u l t sw e r eg i v e n T h el o w v o l t a g ec i r c u i tf o rt h ee n e r g ye x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h eP D
7、c a np r o v i d ea l le n o u g hd r i v ep o w e rf o rt h ef o l l o w i n gc i r c u i t A c c o r d i n gt ot h et e s td a t aa n a l y s i sa n dp a r a m e t e re x t r a c t i o n，as i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep h o t o d i o d ei nC a d e n c es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n
8、tw a sp r o p o s e d F i n a l l y，b a s e do nt h eC a d e n c es i m u l a t i o nm o d e l，t h eo p t i c a lt a gw a sd e s i g n e d，a n dt h ef e a s i b i l i t yw a sp r o v e d K e yw o r d s：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n(R F I D)；C M O S；p h o t o d i o d e(P D)；s
9、i m u l a t i o nm o d e l；o p t i c a lt a gE E A C C：4 2 6 0 D0引言近几年，R F I D 技术已经广泛应用于物流、制造、交通、公共信息服务等各个行业及领域，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。射频识别技基金项目：国家高技术研究发展计划(2 0 0 6 A A 0 4 A 1 0 9)1 0 4 半导体技术第3 6 卷第2 期术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。R F I D 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点。可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。R F I D 技术
10、按工作频率划分可以分为低频、高2 0 1 1 年2 月牛。器与小I-a私如辛a 耐詹r 舢徐万方数据魏琪等：标准C M O S 工艺光电二级管及光标签的研制频和超高频频段。其中无源超高频R F I D 在物流和智能交通方面有着广泛的应用。无源超高频R F I D技术虽然具有成本低、识别距离远(5 1 0m)、识别速度高等优点，但其特有的电磁辐射大、抗干扰能力差、安全性差等缺点，在某些特殊领域应用时受到很大的局限性。由于无源超高频标签芯片工作时的能量来自于读写器辐射的射频信号，因此这种系统的读写器的射频发射功率一般在1W 量级，在典型的物流应用系统里通常会存在数十个到上百个读写器，这些辐射源非常
11、容易暴露目标所在位置。另外，无源超高频标签芯片本身没有电源，它所发送的数据信号是根据雷达反射回波的原理实现的，所以返回信号非常微弱，极易受到干扰，通常在距离标签数百米甚至公里之外都能够使用简单的辐射源阻塞标签和读写器的无线通讯，使应用系统无法正常工作，从而造成系统崩溃。针对无源超高频系统的以上几个缺点，本文提出了一种应用于R F I D 标签的C M O S 光电二极管。作为R F I D 标签的电源，光电二极管将光能转化为电能来代替电磁辐射中为R F I D 标签能量的部分。这样既能降低系统的辐射强度，提高了系统的安全性，又可以增强回波信号的强度，提高了系统的抗干扰能力。在得到光电二极管的仿
12、真模型后，进行了光标签的初步设计。1C M O S 光电二极管本文主要讨论了两种光电二极管的结构，分别为：n+P 衬底和P+-n 阱。1 1r l+P 衬底型结构n+P 衬底光电二极管结构如图1 所示。图1n+-P 衬底型光电二极管结构F i g 1S t r u c t u r eo fr l+Pt y p es u bP DF e b r u a r y2 0 1 1主要利用n 型区和P 型衬底所形成的p-n 结来产生所需要的电压电流。这种结构的主要优点是：导电载流子为迁移率高的电子，因此产生的输出电流很高(几十微安量级)，输出功率很大。主要缺点是C M O S 电路都以P 型衬底为电源地
13、，如果按照上述极性测量，输出电压将都是负值，并且绝对值也稍低(约为0 5V)，影响后续电路的正常工作。1 2P+一n 阱型结构P+一n 阱光电二极管结构如图2 所示。图2P+n 阱型光电二极管结构F i g 2S t r u c t u r eo fP+nt y p ew e l lP D将n 阱P 衬底的p-n 结短路，主要利用P 型区和n 阱所形成的p-n 结来产生所需的电压电流。这种结构的主要优点是输出电压为正，适应C M O S 电路极性，并且绝对值稍大(O 5 3V)。主要缺点是导电载流子为迁移率低的空穴，因此产生的输出电流低。为了得到尽可能大的光电转换效率，需要尽可能将p n 结之
14、上的阻挡层去掉，因此采用的版图结构为P A D 层，M 1 一M 6 的金属阻挡层，S A B 层(金属硅化物阻挡层)，扩散P 型区，n 阱。这样，在光子到达p-n 结之前能量基本没有损耗，提高了转换效率。2 实验结果2 1光强与短路电流(I s。)的关系选取结构P+一n 阱光电二极管，面积分别为：1 0 0p mx1 0 0 斗m，1 5 0p mX1 5 0 斗m，2 0 0I x m 2 0 0p m，2 5 0 斗m 2 5 0“m，3 0 0 斗m 3 0 0p m。实验结果表明，光强、p-n 结面积均与电流同方向变化，当光强较强时，光电二极管的输出电流可以达到几十微安量级，能够满足
15、低频，中频的C M O S 电路对电流的需求。可以根据后续电流的需要选取不S e m i c o n d u c t o rT e c h n o l o g yV o L3 6N o 21 0 5万方数据魏琪等：标准C M O S 工艺光电二级管及光标签的研制同大小的光电二极管以节省面积。2 2p-n 结结面积与输出电流的关系选取两个P+n 阱光电二极管，面积分别为1 0 0p,m 1 0 0 恤m，3 0 0p,m 3 0 0p,m 的光电二极管，它们的面积比为9，测试它们电流比与光强的函数关系，如图3 所示。E(1 0 4i x)图3电流比与光强函数关系F i g 3R a t i oo
16、 fc u r r e n tv e r s u sl u m i n o s i t y图3 中，R。为电流比，E 为照度。由图可见，光强较大时，电流比与结面积比基本相等；在光强很小时，电流比有很大偏差，这主要是因为此时测得的电流值很小且不稳定。2 3n+一P 衬底型与P+-1 1 阱型光电二极管电压与电流的比较。选取面积为3 0 0p,mX3 0 0 斗m 的两种结构的光电二极管，n+一P 衬底型电压电流均为负数，P+一n阱型电压电流均为正数，并且前者电流的绝对值大于后者(电流值比约为3 倍)，电压的绝对值小于后者(电压差约为0 2V)。2 4 光强与负载电压的关系选取面积3 0 0 斗m
17、 3 0 0 斗m 的P+一n 阱型光电二极管，所接负载尺分别为，5 0 0，1 0 0 和5 0k Q。光强与负载电压的关系如图4 所示。0 6O 5O 40 3O 20 10E(1 0 4I x)图4 光强与不同负载电压关系F i g 4V o l t a g e sw i t hd i f f e r e n tr e s i s t a n c e sv e r s u sl u m i n o s i t y1 0 6 半导体技术第3 6 卷第2 期对于较弱的光(小于2 00 0 0l x 时)，小负载，光电二极管的驱动能力较弱。当光强增强时，输出电压基本稳定在0 5 2V，并且有微
18、小的下降，这是因为二极管的负温度系数，当p-n 结长时间受光照时，结温度上升，负温度系数导致电压有所下降。2 5 功率输出实验低压数字库实验电路的端1 3 特性为：V d。0 4 5V，1 1 1i z A，所用P D 面积3 0 0I z mX3 0 0I z m，照度为1X1 0 5I x，匕。=0 5 2V，实验结果证明P D满足设计指标和后续电路的使用要求。3 模型建立为了进一步研究光电二级管，需要建立光电二极管的仿真模型，从而将其与R F I D 前段模拟电路放在一起进行仿真、测试。光电二极管的伏安特性公式如下I k=P(K)=，l e 丽一1(1)采用最小二乘法对N(发射系数)，。
19、(反向饱和电流)进行参数估计。K=0 0 2 6V，7。，K 由皮安表测试结果给出，取N=1，4 ，并且令Q(，。)=2|P(V k)一，。】2=m i n(2)=OI=O掣：0(3)oJ 得到m札量，I(t e 丽一1)，|=号下一(4)量(，。e 而一I)2通过M a t l a b 计算，结果如表1 中所示。取N=3 1，。=1 6X1 0。A，得到模型曲线，并且与实测曲线比较，如图5 所示。从图5 可以看到，模型曲线可以很好的逼近了实测曲线。利用这个模型可以进行光标签的仿真与设计。表1最d x-乘法结果T a b 1R e s u l t so ft h ee x t r a c t
20、i o nb ym i n i m u nd i p l o m u l t i p l ym e t h o d2 0 1 1 年2 月万方数据魏琪等：标准C M O S 工艺光电二级管及光标签的研制OOOoV f V图5 实测曲线与模型曲线F i g 5C u r v e so ft h et e s tr e s u l t sa n dt h em o d e l4 光标签设计传统R F I D 标签利用射频交流信号作为电荷泵的输入，经过倍压产生后续电路的能量。然而，光电二极管产生的是一个值很小的直流电压，不能够直接应用于后续电路，因此仍然需要经过升压，所以就需要一个低压振荡器来产生电
21、荷泵所需的交流时钟信号。从上面的分析可以看出，光标签设计的关键在于光能恢复电路的设计，主要包括光电二极管、低压振荡器和电荷泵的设计，采用0 1 8 斗m 标准C M O S 工艺流片，使用探针台测试，光照由探针台目镜光提供，照度30 0 0I x，芯片的测试结果如表2 中所示。表2 光能恢复电路测试结果T a b 2R e s u l t so ft h eo p t i c a lp o w e rr e c o v e r yc i r c u i t表中，电路恢复电压为1 1 5V，和电路仿真一致，能够使得后续电路正常工作，输出电流不足可以通过增加光强补充。电路中光电二极管的输出功率可以
22、使振荡器与倍压电路正常工作。将上述电路与成熟的其他标签电路结合，就可以得到光能驱动的R F I D 标签，即光标签。5结论本文提出了适应R F I D 芯片电源需求的C M O SF e b r u a r y2 0 1J光电二极管结构，并且给出了大量C M O S 光电二极管的实验数据及结果，证明了采用C M O S 光电二极管作为芯片电源的可行性，并且为下一步研究提供了仿真模型，在上述模型的基础上进行了光标签关键电路一光能恢复电路的设计，流片结果很好地证明了光标签的可行性。参考文献：1 H E R M A N SC，L E R O U XP，S T E Y A E R TM T w oh
23、i g h s p e e do p t i c a lf r o n t e n d sw i t hi n t e g r a t e dp h o t o d i o d e si ns t a n d a r d0 18 斗mC M O S c P r o c e e d i n g so ft h e3 0“E u r o p e a nS o l i d S t a t eC i r c u i t sC o n f e r e n c e I J e u v e n，B e l g i u m，2 0 0 4：2 7 5 2 7 8 2 G U I L A RN，C H E NA
24、，K L E E B U R GT，e ta 1 I n t e g r a t e ds o l a re n e r g yh a r v e s t i n ga n ds t o r a g e c P r o c e e d i n g so ft h eI n t e r n a t i o n a lL o wP o w e rE l e c t r o n i c sa n dD e s i g nS y m p o s i u m T e g e r n s e e，G e r m a n y，2 0 0 6：2 0 2 4 3 R A D O V A N O V I BS，
25、A N N E M AA，N A U T AB P h y s i c a la n de l e c t r i c a lb a n d w i d t h so fi n t e g r a t e dp h o t o d i o d e si ns t a n d a r dC M O St e c h n o l o g y C P r o c e e d i n g so f1 E E EE l e c t r o nD e v i c e sa n dS o l i d S t a t eC i r c u i t sC o n f e r e n c e E n s c h
26、e d e，N e t h e r l a n d s 2 0 0 3：9 5 9 8 4 M I S S O N IA，K L A P FC，P R I B Y LW，e ta 1 At r i p l e b a n dp a s s i v eR F I Dt a g C P r o c e e d i n g so fI S S C CS o l i d-S t a t eC i r c u i t sC o n f e f e n c e S a nF r a n c i s c o，U S A，2 0 0 8：2 8 8 6 1 4 5 B A R N E T TRE，J 1 NL
27、。L A Z A RS AR Ft oD Cv o l t a g ec o n v e r s i o nm o d e lf o rm u l t i s t a g er e c t i f i e r s i nU H FR F I Dt r a n s p o n d e r s J I E E EJ o u r n a lo fS o l i d S t a t eC i r c u i t s，2 0 0 9，4 4(2)：3 5 4 3 7 0(收稿日期：2 0 1 0 0 6 0 4)作者简介：魏琪(1 9 8 4 一)，男，北京人，硕士研究生，研究方向为光能R F I D
28、标签系统；张春(1 9 7 2 一)，男，吉林人，博士，研究员，硕士生导师，研究方向为数模混合信号集成电路设计、嵌入式微处理器设计、数字信号处理、射频识别等。S e m i c o n d u c t o rT e c h n o l o g y L3 6N o 21 0 7万方数据标准CMOS工艺光电二极管及光标签的研制标准CMOS工艺光电二极管及光标签的研制作者：魏琪，张春，Wei Qi，Zhang Chun作者单位：清华大学微电子研究所,北京,100084刊名：半导体技术英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY年，卷(期)：2011,36(2)参考文献(5条)参考文献(
29、5条)1.HERMANS C.LEROUX P.STEYAERT M Two high-speed optical front-ends with integrated photodiodes instandard 0.18 m CMOS 20042.GUILAR N.CHEN A.KLEEBURG T Integrated solar energy harvesting and storage 20063.RADOVANOVIB S.ANNEMA A.NAUTA B Physical and electrical bandwidths of integrated photodiodes in
30、standard CMOS technology 20034.MISSONI A.KLAPF C.PRIBYL W A triple-band passive RFID tag 20085.BARNETT R E.JIN L.LAZAR S A RF to DC voltage conversion model for multi-stage rectifiers in UHFRFID transponders外文期刊 2009(02)本文读者也读过(5条)本文读者也读过(5条)1.丁国庆.杜治国.Ding Guoqing.Du Zhiguo TOSA中pin背光探测器的P-I非线性特性研究期
31、刊论文-半导体技术2011,36(2)2.王新中.于广辉.李世国.Wang Xinzhong.Yu Guanghui.Li Shiguo GaN基板上超薄阳极氧化铝的制备期刊论文-半导体技术2011,36(2)3.王立刚.李晶晶.建天成.WANG Li-gang.LI Jing-jing.JIAN Tian-cheng 基于人工神经网络技术的光电信息检测研究期刊论文-科学技术与工程2011,11(5)4.赵伟.肖珊.ZHAO Wei.XIAO Shan 互联网在医疗器械维修中的应用期刊论文-中国医疗设备2009,24(12)5.万贤杰.冮殿亮.徐军.易波.Wan Xianjie.Gang Dianliang.Xu Jun.Yi Bo 光纤智能测温度系统在电网上的运用期刊论文-电子测量技术2011,34(1)本文链接：http:/