电子轰击有源像素传感器基础仿真方法及其装置与流程

本技术涉及ebaps器件仿真，特别是一种电子轰击有源像素传感器基础仿真方法及其装置。

背景技术：

1、ebaps（electron bombarded active pixel sensor）是一种集成光电阴极、电子倍增和cmos读出电路的高性能成像器件，广泛应用于数字夜视、荧光寿命成像、量子光学、高能物理探测等领域。其工作原理为：光子入射到光电阴极材料（如gaas、gaasp等）通过光电效应产生光电子，光电子在高压电场（通常5~10kv）作用下获得动能，并向硅衬底加速运动，高能电子轰击硅衬底通过电离碰撞产生大量电子-空穴对，从而实现二次电子倍增，最后由cmos读出电路（roic）收集并放大电荷信号，通过相关双采样（cds）抑制ktc噪声，经模数转换（adc）输出数字图像信号。

2、该过程涉及光电阴极物理、真空电子轨迹、硅衬底电子倍增、cmos噪声等多个物理模块的复杂耦合，需要专门的集成仿真环境进行精确建模。然而，现有技术在ebaps仿真领域面临诸多亟待解决的问题。首先，缺乏专用仿真工具，现有通用半导体仿真工具如tcad、comsol、matlab等无法直接用于ebaps仿真。因为这些工具虽然在各自领域具有优势，但均无法覆盖ebaps的全物理链路。

3、tcad在半导体物理仿真方面具有较高精度，但无法模拟光电阴极和真空电子轨迹过程；comsol支持多物理场耦合，但缺乏ebaps专用物理模型；matlab具有较强的数值计算能力，但无标准化物理模型和验证机制。其次，学术论文中的ebaps仿真代码通常是一次性使用，缺乏模块化设计，不同研究者无法重复实现相同的物理模型，造成资源浪费且无法被其他研究者复用。

4、再次，现有仿真结果缺乏与真实产品规格（如intevac isie1280、photek ld250）的系统性对比验证，无法评估仿真结果的可信度，难以建立行业标准。最后，不同来源的材料参数、工艺参数分散在各处，缺乏统一的参数管理机制，容易导致仿真结果缺乏一致或不可复现。

5、随着ebaps在数字夜视、荧光寿命成像、量子光学、高能物理等领域的应用需求不断增长，对高性能仿真工具的需求日益迫切，因此开发一种模块化、可验证、可扩展的ebaps仿真基础设施具有重要的理论意义和工程价值。

6、公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本技术针对上述技术问题提供了一种电子轰击有源像素传感器基础仿真方法及其装置，该方法可有效实现模块化、可验证、可扩展的ebaps仿真，该方法通过将仿真结果与真实器件性能数据对比，通过设定相对误差判断仿真可靠性，有利于提高后续使用过程中仿真结果的准确性，提高研发效率，减少无改进效效器件的生产。

2、本技术提供了一种电子轰击有源像素传感器基础仿真方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：通过爬虫程序从现有文献数据库中，获取各项ebaps器件参数后，存储于材料数据库中，并根据需要调用，所得每个参数均标注获取该参数的文献信息；以便回溯参数来源，支持参数溯源；

4、步骤s2：调取材料数据库中各项ebaps器件参数，基于beer-lambert吸收定律和逃逸深度模型，计算光电阴极量子效率；

5、步骤s3：调取材料数据库中各项ebaps器件参数，基于kanaya-okayama模型，模拟高能电子在硅衬底中的穿透、散射和倍增过程，得到穿透、散射和倍增过程相关的电子穿透深度、电离产额、背散射系数，模拟二次电子倍增过程，得到增益分布和空间展宽；

6、步骤s4：按式（12）对步骤s2~3所得各项数据进行降噪处理得到总读出噪声的系统总噪声基底σtotal，并按式（13）计算得到动态范围，并选取动态范围高的器件参数组合，实现对所得电路噪声的全面分析；

7、噪音抑制处理公式如下：

8、式（12）

9、式（13）；

10、其中，σtotal为总读出噪声的系统总噪声基底，σktc为ktc噪声，σflicker为1/f闪烁噪声，σthermal为热噪声，σcolumn为列固定图案噪声；σpixel为像素固定图案噪声，σadc为adc量化噪声；

11、步骤s5：构建如式（14）所示的真空度衰减模型，计算模拟ebaps器件的吸气剂寿命、出气率与温度关系，对模拟ebaps器件的热应力进行分析，按式（15）得到键合界面处热应力σstress，并进行键合可靠性评估以及综合寿命预测，以器件经历的温度交变循环次数n为自变量，按式（16）计算器件在n次循环后的存活可靠度r(n)，得到仿真结果；

12、式（14）

13、式（15）

14、式（16）

15、其中，p0为模拟ebaps器件所处环境的初始真空度，l为模拟ebaps器件的真空封装漏率，q为模拟ebaps器件的出气率，v为模拟ebaps器件的腔体体积，t为时间，代表ebaps器件自真空封装完成或内部吸气剂完成激活后，所经历的累计工作或存储时间；σstress为热应力，代表两种相邻的、物理性质不同的异质封装材料在键合界面或密封界面处产生的热机械应力，ebaps器件的入射窗口与管壳的密封界面、硅衬底与封装基板的贴装界面、光电阴极基底与管壳的封接界面；αa和αb为键合界面两侧相邻封装材料a和b的热膨胀系数；δt键合工艺温度与室温的差值，用于计算冷却后的残余热应力，emod为材料的弹性模量，其中材料指代键合界面处承受热应力的主体材料，如弹性模量硬质基板/窗口材料、金属管壳材料、石英玻璃、陶瓷基板；r（n）为键合在热循环n次后的可靠度，采用weibull疲劳模型，rinital为初始可靠度；nf为特征寿命，指器件的键合界面在热应力σstress作用下，能够承受的典型热循环次数为特征寿命；β为形状参数。

16、优选地，还包括步骤s6：采集产品规格及各型号真实产品对应的性能检测结果，构建产品规格数据库，按式（17）计算按步骤s1~5所得第i型号器件的第i参数的仿真结果simulated与第i型号真实产品器件的真实产品性能数据actual的相对误差error；

17、当相对误差error小于5%时，步骤s1~5适用于第i型号器件第i参数仿真；式（17）。

18、优选地，各项ebaps器件参数包括：光电阴极材料参数、硅衬底参数、cmos工艺参数和封装材料参数；

19、光电阴极材料参数包括：带隙能量、电子亲和势、吸收系数、电子逃逸深度、量子效率峰值、光谱响应范围、暗电流密度、热膨胀系数、晶格常数；

20、硅衬底参数包括：带隙、载流子迁移率、本征载流子浓度、电离能量、密度、热导率、熔点；

21、cmos工艺参数包括：工艺节点、电源电压、转换增益、满阱容量、adc位数；

22、封装材料参数包括：热膨胀系数、弹性模量、熔点。

23、优选地，步骤s2包括以下步骤：

24、步骤s21：按式（1）根据仿真参数入射光波长计算光子能量eph；

25、步骤s22：按式（1）~（4）查询材料数据库获取待仿真器件的吸收系数α和逃逸深度le，计算光子吸收概率pabs和电子逃逸概率pescape，根据光子吸收概率pabs和电子逃逸概率pescape得到量子效率qe，并生成光谱响应曲线作为光电阴极量子效率；

26、各公式如下：

27、式（1）

28、式（2）

29、式（3）

30、式（4）

31、其中，pabs为光子吸收概率；pescape为电子逃逸概率；qe为量子效率；eph为光子能量；h为普朗克常数；c为光速；λ为入射光波长；α为吸收系数；d为光电阴极厚度；le为电子逃逸深度；χ为电子亲和势；eexcess为超额能量。

32、优选地，步骤s3包括以下步骤：

33、步骤s31：根据光电阴极转换的电子携带能量和各项ebaps器件参数，按式（5）计算电子穿透深度rko；

34、步骤s32：按式（7）、式（6）计算电离产额n和背散射系数η；

35、步骤s33：按（8）模拟二次电子倍增过程，按式（9）得到增益分布，按式（10）、（11）分别得到横向展宽和纵向展宽，横向展宽和纵向展宽表达空间展宽；

36、所用计算公式如下：

37、式（5）

38、式（6）

39、式（7）

40、式（8）；

41、其中，rko为电子穿透深度，a为硅衬底的原子量，ee为入射电子能量，z为硅衬底原子序数，ρ为硅衬底材料的密度；w=3.66v为硅的平均电离能量，n为电离产额；η为背散射系数；

g为增益值，为单个入射电子（或单个像素在单次曝光中）实际产生的电子-空穴对数量；

e

dep为硅中实际沉积的能量，为考虑载流子收集效率及器件结构效应的二次修正因子，可由文献数据获取，gsecondary为二次增益因子；

42、增益分布公式：式（9）

43、其中：g为增益值，μ为对数增益的均值，按计算得到；σ为对数增益的标准差（典型值约为0.3~0.5）；为公式（8）计算得到的多个增益值g的平均增益，指在大量入射电子轰击下，或者在器件整个像素阵列的统计平均下，得到的平均电子-空穴对数量；

44、横向展宽按公式：式（10）计算；

45、其中：为横向空间展宽的标准差（单位：μm）；

r

ko为公式（5）计算的电子穿透深度；ec为临界能量（硅中约为1~2kev）；ee为入射电子能量；

46、纵向展宽按公式：式（11）计算；

47、其中，

z

max≈0.6×

r

ko为能量沉积峰值深度；σz≈0.2×

r

ko为纵向分布的标准差；表示电子在硅材料中每前进1单位深度所损失的能量，用于量化纵向空间展宽的核心底层物理量。

48、优选地，步骤s5所得仿真结果包括：随时间变化的真空度预测值p(t)；

49、吸气剂的理论寿命tgetter；

50、封装界面处的热应力σstress；

51、键合结构在热循环下的可靠度r(n)，用于综合寿命预测。

52、优选地，步骤s5包括以下步骤：

53、步骤s51：评估根据式（15）的热系统提取两种相邻封装材料（材料a、材料b）的热膨胀系数（αa和αb），结合工作环境的温度变化幅度（δt）以及材料的弹性模量，计算得到键合界面处热应力σstress；

54、步骤s52：判断键合界面处热应力σstress是否超过材料的结合强度，如果超过，则舍弃该仿真结果及其对应的材料数据库参数组合；如果不超过，则作为仿真结果输出；

55、步骤s53：根据式（16）疲劳可靠度模型将键合界面处热应力σstress（作为加速老化因子）和真空度衰减趋势输入该模型，以器件经历的温度交变循环次数（n）为自变量，计算器件在n次循环后的存活可靠度r(n)，实现器件综合寿命的预测。

56、本技术的另一方面还提供了一种电子轰击有源像素传感器基础仿真装置，包括：

57、材料数据库模块，用于通过爬虫程序从现有文献数据库中，获取各项ebaps器件参数后，存储于材料数据库中，并根据需要调用，所得每个参数均标注获取该参数的文献信息；以便回溯参数来源，支持参数溯源；

58、光电阴极物理模块，用于调调取材料数据库中各项ebaps器件参数，基于beer-lambert吸收定律和逃逸深度模型，计算光电阴极量子效率；

59、电子轨迹与倍增模块，用于调取材料数据库中各项ebaps器件参数，基于kanaya-okayama模型，模拟高能电子在硅衬底中的穿透、散射和倍增过程，得到穿透、散射和倍增过程相关的电子穿透深度、电离产额、背散射系数，模拟二次电子倍增过程，得到增益分布和空间展宽；

60、由于电子倍增过程具有统计涨落的功能，增益服从对数正态分布，该模块能模拟增益的统计分布特性；

61、cmos噪声模块，用于按式（12）对步骤s2~3所得各项数据进行降噪处理得到总读出噪声的系统总噪声基底σtotal，并按式（13）计算得到动态范围，并选取动态范围高的器件参数组合，实现对所得电路噪声的全面分析；

62、噪音抑制处理公式如下：

63、式（12）

64、式（13）；

65、其中，σtotal为总读出噪声的系统总噪声基底，σktc为ktc噪声，σflicker为1/f闪烁噪声，σthermal为热噪声，σcolumn为列固定图案噪声；σpixel为像素固定图案噪声，σadc为adc量化噪声；

66、真空封装模块，用于构建如式（14）所示的真空度衰减模型，计算模拟ebaps器件的吸气剂寿命、出气率与温度关系，对模拟ebaps器件的热应力进行分析按式（15）得到键合界面处热应力σstress，并进行键合可靠性评估以及综合寿命预测，以器件经历的温度交变循环次数n为自变量，按式（16）计算器件在n次循环后的存活可靠度r(n)，得到仿真结果；

67、式（14）

68、式（15）

69、式（16）

70、其中，p0为模拟ebaps器件所处环境的初始真空度，l为模拟ebaps器件的真空封装漏率，q为模拟ebaps器件的出气率，v为模拟ebaps器件的腔体体积，t为时间，代表ebaps器件自真空封装完成或内部吸气剂完成激活后，所经历的累计工作或存储时间；σstress为热应力，代表两种相邻的、物理性质不同的异质封装材料在键合界面或密封界面处产生的热机械应力，ebaps器件的入射窗口与管壳的密封界面、硅衬底与封装基板的贴装界面、光电阴极基底与管壳的封接界面；αa和αb为键合界面两侧相邻封装材料a和b的热膨胀系数；δt键合工艺温度与室温的差值，用于计算冷却后的残余热应力，emod为材料的弹性模量，其中材料指代键合界面处承受热应力的主体材料，如弹性模量硬质基板/窗口材料、金属管壳材料、石英玻璃、陶瓷基板；r（n）为键合在热循环n次后的可靠度，采用weibull疲劳模型，rinital为初始可靠度；nf为特征寿命，指器件的键合界面在预设的热应力（σstress）作用下，能够承受的典型热循环次数为特征寿命。β为形状参数。

71、优选地，还包括：

72、验证框架模块，用于采集产品规格及各型号真实产品对应的性能检测结果，构建产品规格数据库，按式（17）计算按步骤s1~5所得第i型号器件的第i参数的仿真结果simulated与第i型号真实产品器件的真实产品性能数据actual的相对误差error；

73、当相对误差error小于5%时，步骤s1~5适用于第i型号器件第i参数仿真；式（17）。

74、本技术能产生的有益效果包括：

75、1、验证仿真结果与真实器件性能相对误，提高仿真准确率：

76、该方法通过获取现有文献数据库中公开的ebaps器件性能及其对应材料数据，根据仿真需要选取材料数据库中参数后，得到仿真器件对应性能仿真结果，与真实器件的公开性能进行对比，根据仿真结果选取相对误差满足要求的器件及其参数，再次进行仿真得到准确率较高的仿真结果后，能准确、快速定位该型号器件、参数的改进方向和趋势，再进一步据此器件参数制备实物器件。该仿真方法所得仿真性能参数与真实器件性能参数误差低，可用于提高器件研发效率，缩短实验数量和实验时间，更快获得具有较好性能的器件。该仿真方法仿真结果与所得实物器件相比，5项验证中共有4项通过的，相对误差最大仅为10.7%，最小仅为0.8%准确率较高。

77、2、全物理链路集成仿真：

78、实现ebaps各项物理参数集成仿真，将材料数据库、光电阴极物理、电子轨迹与倍增、cmos噪声、真空封装、验证框架六个核心模块统一在同一框架下，各模块间可自动传递参数，实现端到端的准确仿真，单次仿真即可获得器件完整的各项性能指标。

79、3、基于文献的参数化建模：

80、采用基于文献的参数化建模方法，仿真中所用各项物理参数均与公开该项参数的文献建立一一映射关系，以便于分析人员在解读仿真结果时，可追溯至该公开文献，在仿真结果中同步输出所得参数的灵敏度数据，确保仿真结果的可重复性和可验证性。通过微调数据库中的输入参数，以确定该参数改变对器件最终性能的影响幅度，影响幅度为浮动值，该浮动数据用于确定复现该参数器件时的参数容差范围和关键变量，保障仿真结果的可重复性与稳健性。

81、4、模块化可扩展架构：

82、各模块独立开发、独立测试，支持新增材料、噪声源、封装方式，模块间通过标准接口通信。

83、5、自动化验证机制：

84、内置真实产品规格数据库，自动计算仿真结果与产品规格的误差，生成标准化验证报告。