（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.     

STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管（英文）

研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation(STI)共同形成的保护环组成.通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小.结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1μm时,SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外,直径为10μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208 Hz,且在波长为510 nm时峰值光子探测概率为20. 8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性.     

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。     

（英）STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管

本文研究和分析了一种0.18-μm CMOS工艺单光子雪崩二极管（SPAD）,其结构能抑制过早的边缘击穿（PEB）,同时获得较大的光电流和低的暗计数率（DCR）。该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation（STI）共同形成的保护环组成。通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小。结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1-μm 时,SPAD的暗计数率和光电流最佳。此外,直径为10-μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208Hz,且在波长为510nm时峰值光子探测概率为20.8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性。     

低暗计数率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

通过对InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）的探测效率、暗计数率等基本特性与该器件的禁带宽度、电场分布、雪崩长度、工作温度等参数之间关系的分析,采用比通常的InxGaAs （x=0.53）材料具有更宽带隙的InxGa1-xAsyP1-y（x=0.78,y=0.47）材料作为光吸收层,并且精确控制InP倍增层的雪崩长度,有效地降低了SPAD的暗计数率。其中InGaAsP材料与InP材料晶格匹配良好,可在InP衬底上外延生长高质量的InGaAsP/InP异质结,InGaAsP材料的带隙为Eg=1.03 eV,截止波长为1.2 m,可满足1.06 m单光子探测需要。同时,通过设计并研制出1.06 m InGaAsP/InP SPAD,对其特性参数进行测试,结果表明,当工作温度为270 K时,探测效率20%下的暗计数率约20 kHz。因此基于时间相关单光子计数技术的该器件可在主动淬灭模式下用于随机到达的光子探测。     

单光子雪崩二极管探测系统测试与设计分析

随着在弱光探测量子通讯领域研究的深入,光子探测逐渐成为国内外研究的热点.基于Si单光子雪崩光电二极管探测系统,介绍了系统相关性能参数以及相应的测试方法,对主要结构、性能指标和外界环境条件进行了综合性分析,总结并设计了一套完整的测试平台以及测试手段用于对单光子探测系统主要性能进行测试.测试平台采用主动与被动淬火电路两种方式对样品进行测试,结果表明了其相关参数与外偏置电压的非简单线性关系,与理论推理进行比较验证,并讨论了测试平台的优化方案.     

高性能单光子雪崩二极管在180 nm CMOS工艺中的设计与实现（英文）

为了实现大阵列电路集成,文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8μm的单光子雪崩二极管器件是基于上海宏利GSMC 180 nm CMOS图像传感器(CIS)技术实现的.由于采用有效的器件结构,其击穿电压是15.2 V,淬灭时间是7.9 ns.此外,该器件实现了宽的光谱灵敏度,其在低过电压下的光子探测概率(PDP)从470 nm到680 nm光波长段最高可达15.7%.并且它在室温下的暗计数率相当低.     

一种单光子雪崩光电二极管主动淬火电路

We present a novel gated operation active quenching circuit （AQC）. In order to simulate the quenching circuit a complete SPICE model of a InGaAs SPAD is set up according to the I-V characteristic measurement resuits of the detector. The circuit integrated with a ROIC （readout integrated circuit） is fabricated in an CSMC 0.5 μm CMOS process and then hybrid packed with the detector. Chip measurement results show that the functionality of the circuit is correct and the performance is suitable for practical system applications.     

一种完全集成的单光子雪崩二极管探测器

针对单光子雪崩二极管探测器,提出了一种紧凑的主动淬灭电路和读出电路,能够快速控制雪崩电流淬灭,对光子雪崩脉冲进行线性和对数方式的模拟计数。该电路能够最大限度地减少淬灭时间,缩短死区时间,扩大读数的动态范围,大幅度减小每个像素单元的面积,提高像素密度。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行仿真,得到输入雪崩脉冲宽度约为8 ns,线性计数达到10³次,而对数计数可以达到10⁵次,像素单元占空比得到显著提高。     

低过剩噪声级联倍增雪崩探测器设计（英文）

基于弛豫空间倍增理论数值模型和修正的弛豫空间倍增理论模型,分析了不同倍增级数和不同载流子初始能量时级联倍增雪崩探测器的过剩噪声.研究了不同碰撞离化倍增层厚度、不同电子预加热层厚度、不同电场控制层掺杂浓度对过剩噪声因子的影响.同时,比较了DSMT模型、Van Vilet模型和McIntyre模型得到的结果.通过调整碰撞离化倍增层厚度、电子预加热层厚度和电场控制层掺杂浓度,DSMT数值模拟获得了一个相对优化的结构,其过剩噪声与Van Vliet模型k_s=0. 057时相当.     

p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计（英文）

为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0. 18μm 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. 4μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB),且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20μm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.     

高性能单光子雪崩二极管在180 nm CMOS工艺中的设计与实现

为了实现大阵列电路集成,文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8 μm的单光子雪崩二极管器件是基于上海宏利GSMC 180 nm CMOS图像传感器(CIS)技术实现的.由于采用有效的器件结构,其击穿电压是15.2 V,淬灭时间是7.9 ns.此外,该器件实现了宽的光谱灵敏度,其在低过电压下的光子探测概率(PDP)从470 nm到680 nm光波长段最高可达15.7%.并且它在室温下的暗计数率相当低.     

基于InGaAs/InP雪崩光电二极管的高速单光子探测器雪崩特性研究（英文）

报道了一种基于InGaAs/InP雪崩光电二极管、1.25GHz正弦波门控及贝塞尔低通滤波器的1.25GHz高速短波红外单光子探测器.通过调整比较电路的鉴别电平,实验研究了单光子探测器雪崩信号幅度随反向直流偏压的变化.随着鉴别电平的提高,单光子探测器的探测效率及暗计数率均呈指数衰减,而后脉冲概率先增大到一个峰值,然后减小.研究表明,为获得更高的性能,需要尽量降低单光子探测器的鉴别电平.     

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.     

一种新型的用于红外灵敏探测的低背景光谱仪（英文）

提出了一种新型的基于反射光栅干涉仪的低背景光谱仪,当使用工作在背景限制条件下的探测器时,降低背景噪声,有利于提高光谱仪系统的探测率,进而可提高光谱仪的信噪比.由于理想反射镜发射率为零,故其干涉仪组件无黑体辐射.因此,基于低温光源、低温探测器和光栅干涉仪的光谱仪,其探测到的背景辐射大幅降低.进而得到低背景下的探测率实现灵敏探测.理论分析表明随背景辐射的降低,背景限制条件下探测器的探测率可大幅提高.理想情况下,对工作在背景限制下的碲镉汞探测器,当由300 K的背景辐射降至77 K时,其探测率和相应光谱仪的信噪比可提高三个数量级.另外,与之前报导的低温迈克尔逊光谱仪相比,它结构紧凑且无需对干涉仪降温,易于搭建.该设计对红外灵敏探测有重要意义.     

一种宽光谱响应的双结单光子雪崩二极管

基于180 nm BCD工艺提出了一种新型双结雪崩区的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器,采用N阱/高压P阱/N+埋层结构形成了两个垂直堆叠的PN结,高压P阱和N+埋层交界面形成较深的主雪崩区,增强对近红外短波光子的探测概率;同时,N阱/高压P阱之间形成浅的次雪崩区,实现对蓝绿光的高效探测,两结同时工作能够有效扩展器件的光谱响应范围。TCAD仿真结果表明,与传统的P阱/深N阱结构相比,双结SPAD器件在300～940 nm的宽光谱范围内有更高的光子探测概率,在800 nm近红外短波段探测概率达到了20.6%。在3 V过偏压下,暗计数率为0.8 kHz,后脉冲概率为3.2%。     

一种新型低阳极发射效率快恢复二极管

采用局域注入p型离子和高温推结的方式得到高掺杂p+区和低掺杂p-区规律性的浓度梯度变化,研制了新型低阳极发射效率二极管.与常规结构二极管相比,此结构在工艺实现时,制造工艺条件、掩模版数量保持不变,只需设计高掺杂p+区和低掺杂p-区层次掩模版图案,即可实现发射极注入效率的自调节,制造成本低;其反向恢复电荷减小了30.4％,反向电流峰值减小了29％,反向电压峰值减小了6.7％,反向恢复时间减小了11％,开关器件的工作损耗降低,折衷性能更加优良;在VF基本相当的情况下,反向恢复软度特性更优.