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%。     

（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.     

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.     

（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。     

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.     

室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管

我们描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管（SPAD）,该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增（SAGCM）异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率（PDE）为70%,暗计数率（DCR）为14.93 kHz,后脉冲概率（APP）为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。     

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.     

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。     

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。     

空穴主导雪崩倍增的短波长SiC紫外单光子探测器

制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管（APDs）雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比,在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程,随着入射光波长增加到280 nm,电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子,空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此,得益于空穴主导雪崩倍增过程,SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。     

Study of the influence of virtual guard ring width on the performance of SPAD detectors in 180 nm standard CMOS technology

The influence of the virtual guard ring width (GRW) on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode (SPAD) in a 180 nm standard CMOS process was investigated. TCAD simulation demonstrates that the electric field strength and current density in the guard ring are obviously enhanced when GRW is decreased to 1 μm. It is experimentally found that, compared with an SPAD with GRW = 2 μm, the dark count rate (DCR) and afterpulsing probability (AP) of the SPAD with GRW = 1 μm is significantly increased by 2.7 times and twofold, respectively, meanwhile, its photon detection probability (PDP) is saturated and hard to be promoted at over 2 V excess bias voltage. Although the fill factor (FF) can be enlarged by reducing GRW, the dark noise of devices is negatively affected due to the enhanced trap-assisted tunneling (TAT) effect in the 1 μm guard ring region. By comparison, the SPAD with GRW = 2 μm can achieve a better trade-off between the FF and noise performance. Our study provides a design guideline for guard rings to realize a low-noise SPAD for large-array applications.     

High photon detection efficiency InGaAs/InP single photon avalanche diode at 250 K

Planar semiconductor InGaAs/InP single photon avalanche diodes with high responsivity and low dark count rate are preferred single photon detectors in near-infrared communication. However, even with well-designed structures and well-controlled operational conditions, the performance of InGaAs/InP SPADs is limited by the inherent characteristics of avalanche process and the growth quality of InGaAs/InP materials. It is difficult to ensure high detection efficiency while the dark count rate is controlled within a certain range at present. In this paper, we fabricated a device with a thick InGaAs absorption region and an anti-reflection layer. The quantum efficiency of this device reaches 83.2%. We characterized the single-photon performance of the device by a quenching circuit consisting of parallel-balanced InGaAs/InP single photon detectors and single-period sinusoidal pulse gating. The spike pulse caused by the capacitance effect of the device is eliminated by using the characteristics of parallel balanced common mode signal elimination, and the detection of small avalanche pulse amplitude signal is realized. The maximum detection efficiency is 55.4% with a dark count rate of 43.8 kHz and a noise equivalent power of 6.96 × 10⁻¹⁷ W/Hz^1/2 at 247 K. Compared with other reported detectors, this SPAD exhibits higher SPDE and lower noise-equivalent power at a higher cooling temperature.     

近红外1550 nm单光子探测器硬件电路设计

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和体积大的不足,设计了基于 InGaAs／InP 雪崩光电二极管（APD）的便携式单光子探测器,给出了探测器温控模块和偏置电压源的设计电路,门控信号的产生和雪崩信号的提取由 FPGA 完成。实验结果表明：在200 MHz 门控条件且制冷温度为－55℃时,探测器的最大光子探测效率（PDE）约为16％,当探测效率为12％时,暗计数率（DCR）约为8．2×10－6／ns。     

用于1 550 nm光子检测的InGaAs/InP 单光子雪崩二极管的温度相关性

在越来越多的光子计数应用中,用于近红外光波长领域的单光子探测器受到广泛关注。例如在量子信息处理、量子通信、3D激光测距（LiDAR）、时间分辨光谱等光子计数应用领域。文中设计并展示了用于探测1 550 nm波长光子的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）。这种SPAD 采用分离吸收、过渡、电荷和倍增区域结构 (SAGCM),在盖革模下工作时具有单光子灵敏度。SPAD的特性包括随温度范围223~293 K变化的击穿电压、暗计数率、单光子检测效率和后脉冲概率。25 μm 直径的 SPAD 显示出一定的温度相关性,击穿电压随温度的变化率约为100 mV/K。当SPAD在盖革模式下温度为223 K工作时,在暗计数率为4.1 kHz,后脉冲概率为3.29%的基础上,对1 550 nm光子实现了21%的单光子探测效率。文中还分析和讨论了SPAD温度相关性的单光子探测效率、暗计数率和后脉冲概率的来源和物理机制。这些机制分析、讨论和计算可以为SPAD的设计和制备提供更多的理论支持和依据。     

基于FPGA的100MHz近红外单光子探测器

为克服InGaAs/InP雪崩二极管(APD)光电探测器的后脉冲现象,本文提出了基于FPGA的单光子探测器(SPD)测量系统,其门控频率最高可达100MHz,门控宽度最窄可到1ns,死区时间设定为109ns,并且这些参数都易于调节且有助于减少后脉冲概率。实验结果表明:在以上门控条件并且制冷温度为218K时,探测器的有效门宽为0.79ns;在死区时间超过109ns时,后脉冲现象可忽略;最大光子探测效率(PDE)约为14%;在光子探测效率为10%时,暗计数率(DCR)约为2×10-5/ns;并具有小型化、易调节的特点。