一种应用于可见光通信系统的高带宽CMOS APD

采用标准的0.18μmCMOS工艺,设计了一种新型的应用于可见光通信系统的雪崩光电二极管(APD).相较于传统的CMOS APD,该器件在深n阱/p衬底的结构基础上增加一层p阱,再在其上分别离子注入一层n+/p+层作为器件的雪崩击穿层,并且采用STI结构来防止器件边缘过早击穿.仿真结果表明,器件的雪崩击穿电压为9.9 V,暗电流为1×10-12 A,3 dB带宽为5.9 GHz,响应度为1.2 A/W.由于STI保护环和短接深n阱/p衬底的结构设计,器件暗电流较传统结构CMOS APD降低了 2个量级,且带宽提高了约10％.     

基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真

采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和p阱保护环,使用SILVACO公司的ATLAS软件进行器件结构设计和仿真,得到了能正常工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)。仿真结果表明:设计的器件结构中p+/n-阱结降低了结附近的电场强度,并且低于平面pn结的电场强度,从而起到了抑制二极管发生边缘击穿的保护作用;电场强度和碰撞产生率呈正相关,并得出了电子、空穴的雪崩产生率与纵向位置的关系曲线及器件中某一个点处的电子雪崩产生率和偏置电压的关系曲线。仿真结果对基于CMOS工艺的SAPD结构设计具有一定的指导意义。     

一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度

设计了一种基于0.18 μm CMOS工艺的高响应度雪崩光电二极管(APD)。该APD采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了两个P+/N阱型pn节,形成两个雪崩区以产生雪崩倍增电流。雪崩区两侧使用STI(浅沟道隔离)结构形成保护环,有效地抑制了APD的边缘击穿;并且新增加一个深N阱结构,使载流子在扩散到衬底之前被大量吸收,屏蔽了衬底吸收载流子产生的噪声,用以提高器件的响应度。通过理论分析,确定本文所设计的CMOS-APD器件光窗口面积为10 μm×10 μm,并得到了器件其他的结构和工艺参数。仿真结果表明:APD工作在480 nm波长的光照时,量子效率达到最高90%以上。在加反向偏压-15 V时,雪崩增益为72,此时响应度可达到2.96 A/W,3 dB带宽为4.8 GHz。     

基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子TOF传感器像素设计

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足,采用p阱和STI共同作为保护环,避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积,增加深n阱使有源区耗尽层变窄,从而降低雪崩击穿电压,增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长,以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式,采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭,以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真,验证了该设计的可行性。     

一种低暗计数率CMOS单光子雪崩二极管

基于标准0.18μm CMOS工艺设计了一种新型单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD以p-well/n-well轻掺杂雪崩结作为器件的核心工作区域,同时利用三个相邻n阱间的横向扩散在pn结边缘形成n-虚拟保护环以提高器件的性能。采用Silvaco软件对该器件的电场分布、响应度、击穿电压、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了仿真分析。仿真结果表明:当SPAD器件的光窗口直径为20μm且n阱间隙宽度为1.4μm时,其雪崩击穿电压为13V;在过偏压为1V时,其探测效率峰值和暗计数率分别为37%和0.82kHz;在450~700nm波长范围器件的响应度较好,且在500nm处达到峰值0.33A/W。     

高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管

介绍了一种0. 18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结,p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真,直径为10μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外,p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0. 5 V过量偏压下,可在490～775 nm波长范围内实现超过40%的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15. 14 V,具有较低暗计数率为638 Hz.     

高边缘击穿和扩展光谱的圆形单光子雪崩二极管（英文）

介绍了一种0. 18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结,p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真,直径为10μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外,p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0. 5 V过量偏压下,可在490～775 nm波长范围内实现超过40%的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15. 14 V,具有较低暗计数率为638 Hz.     

一种高带宽NP 型CMOS APD 的研究

提出了一种高带宽的硅基CMOS雪崩光电二极管(APD)器件。该器件在N阱/P衬底基本结构的基础上,增加一个N型深掩埋层,并在该掩埋层单独加上电压,以减小载流子的输运时间。通过理论分析确定了器件的结构参数,通过器件性能的仿真分析对相关参数进行了优化设计。仿真结果表明:采用标准0.18 m CMOS工艺,所设计的APD器件的窗口尺寸大小为20 m20 m,在反向偏压为16.3 V时,器件的雪崩增益为20,响应度为0.47 A/W,3 dB带宽为8.6 GHz。     

p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计

随着CMOS工艺特征尺寸的不断减小,探测器本身的大小成为进一步缩小CMOS单光子雪崩二极管(SPAD)阵列的障碍。为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0.18 μm CMOS 图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well)SPAD的保护环尺寸进行设计,并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件。测试结果表明,保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB),且保护环尺寸大于0.4 μm的SPAD器件雪崩击穿电压为16 V,并表现出良好的雪崩击穿特性。此外,保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小,直径为20 μm的SPAD器件,温度为25 ℃时暗计数率为638 Hz,且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%,具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性。     

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。     

瞬态电压抑制二极管的建模及仿真

基于0.5 μm CMOS 工艺,设计瞬态电压抑制（TVS）二极管.利用黑箱理论对该器件在高电压大电流下的反向工作特性建模,在Matlab 数值模拟工具中利用所建模型仿真,获得了包含一次击穿、二次击穿（硬失效）点的反向I –U 特性曲线;基于Silvaco TCAD 工艺器件仿真平台,经DC 仿真验证所建模型的准确性.仿真结果表明,2 种方法获得的特性曲线基本吻合,本文所建数值模型能够预测TVS 二极管瞬态电压抑制时的电特性.     

Ge/Si波导集成型APD器件的仿真分析

设计了一种Ge/Si波导集成型雪崩光电二极管(APD).器件采用将Si波导层置于Ge吸收层之下的结构,光经波导层进入吸收层只需一次耦合,降低了光的损耗,提高了光的吸收率和光电流.采用silvaco软件对器件的结构和性能进行仿真,结果表明:器件的雪崩击穿电压为-28 V,最大内量子效率达到89％,在1.15～1.60 μm范围内具有较高响应度,峰值波长位于1.31μm,单位响应度最高达0.74 A/W,3 dB带宽为10 GHz.     

3200V双p阱终端VDMOS击穿特性仿真研究

基于场限环终端技术理论，提出了一种具有双p阱结构的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)。通过数值模拟软件分别仿真了p阱各项参数和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系，提取器件击穿时的表面电场并分析其击穿机理。研究结果表明，当漂移区掺杂浓度一定时，击穿电压随p阱数量和结深的增大而增大，随p阱掺杂浓度的增大而先增大后减小；当p阱参数一定时，击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而先增大后减小。经优化器件各项参数，击穿电压(V_B)达到3 200 V,与传统平面栅型VDMOS相比提升了305%,终端有效长度仅为26μm,表面电场最大值为1.21×10⁶ V/cm,且分布相对均匀，终端稳定性和可靠性高。     

（英）一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析

基于0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器工艺提出一种新型的低暗计数率(Dark Count Rate)单光子雪崩二极管(SPAD)器件.该器件是利用P+/LNW(Light N-well doping)结检测光子,并通过低浓度的N型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,确保其工作在盖格模式.测试结果表明在室温环境下,直径为8 μm的SPAD器件,雪崩击穿电压为14.2 V,当过调电压设置为2 V时,暗计数率为260 Hz,具有低的暗计数率特性.     

一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析（英文）

基于0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器工艺提出一种新型的低暗计数率(Dark Count Rate)单光子雪崩二极管(SPAD)器件.该器件是利用P+/LNW(Light N-well doping)结检测光子,并通过低浓度的N型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,确保其工作在盖格模式.测试结果表明在室温环境下,直径为8μm的SPAD器件,雪崩击穿电压为14.2 V,当过调电压设置为2 V时,暗计数率为260 Hz,具有低的暗计数率特性.     

平面型InGaAs/InP APD边缘提前击穿行为的抑制

平面型雪崩光电二极管(APD)在结弯曲处具有高的电场,导致在结边缘的提前击穿.运用FEMLAB软件对不同工艺流程制备的三种不同结构平面型InP/InGaAs APD的电场分布进行了二维有限元模拟,在表面电荷密度为5×1011cm-2时分析了吸收层厚度、保护环掺杂浓度、保护环和中央结纵向及横向间距等因素对边缘提前击穿特性的抑制程度.比较了这三种结构的InP/InGaAs APD在边缘提前击穿的抑制特性的优劣.通过理论研究对平面InP/InGaAs APD进行了优化.     

器件结构设计对异质结像素探测器性能的影响

像素探测器一直是高分辨率、高速率粒子跟踪的工作平台。本文以多晶硅/氧化硅(poly-Si/SiO_x)钝化接触异质结结构设计了硅像素探测器,为了实现探测器的超快响应,采用Silvaco TCAD对异质结硅像素探测器进行器件仿真,一方面研究了不同衬底厚度对载流子输运和收集的影响,另一方面研究了器件结构设计对异质结像素探测器击穿电压的影响。仿真结果表明：在相同的偏置电压下,较薄的硅衬底可以获得更强的漂移电场,进而提高器件对信号电荷的输运与收集速率,有利于提高探测器的时间响应。较小的保护环-有源区间距有利于提高器件的击穿电压,而在保护环-有源区间距较大的情况下,在有源区边缘设计金属场板结构,也能够有效提高器件的击穿电压,使探测器可以工作在较高电压下,从而提升探测器的响应速率。     

平面型APD抑制边缘击穿的方法研究

雪崩光电二极管(APD)作为一种具有内部增益的光电探测器,被广泛地应用于光纤通信领域,其中平面型APD具有暗电流低、可靠性高等优点而被大量研究。但是平面型APD边缘处由于高电场易被提前击穿,影响器件性能。文章对抑制平面型APD边缘击穿的不同方法进行了综述,指出它们的结构差别,并重点介绍保护环法的原理及保护环各个参数的优化。     

Ge/Si SACM-APD器件分析

Ge/Si吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的APD作为一种新型光电探测器已成为硅基APD器件研究的重点.对SACM Ge/Si型APD器件的基本结构及其主要特性参数,包括量子效率、响应度、暗电流等进行了理论分析及仿真验证.实验结果表明:在给定的器件参数条件下,所设计的APD器件的雪崩击穿电压为25.7 V,最大内部量子效率为91%,单位增益下响应度峰值为0.55 A/W,在750~1 500 nm范围内具有较高响应度,其峰值波长为1 050 nm;在高偏压以及高光照强度情况下,倍增区发生空间电荷效应从而导致增益降低.     

新型有机电致蓝色磷光器件的研究

设计了一种Ge/Si波导集成型雪崩光电二极管(APD)。器件采用将Si波导层置于Ge吸收层之下的结构,光经波导层进入吸收层只需一次耦合,降低了光的损耗,提高了光的吸收率和光电流。采用silvaco软件对器件的结构和性能进行仿真,结果表明:器件的雪崩击穿电压为-28V,最大内量子效率达到89%,在1.15~1.60μm范围内具有较高响应度,峰值波长位于1.31μm,单位响应度最高达0.74A/W,3dB带宽为10GHz。 更多还原