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.     

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.     

（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。     

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.     

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。     

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.     

（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0.35μm CMOS工艺的APD器件仿真分析

提出了一种基于0.35μm CMOS工艺的、具有p+/n阱二极管结构的雪崩光电二极管(APD),器件引入了p阱保护环结构.采用silvaco软件对CMOS-APD器件的关键性能指标进行了仿真分析.仿真结果表明:p阱保护环的应用,明显降低了击穿电压下pn结边缘电场强度,避免了器件的提前击穿.CMOS APD器件的击穿电压为9.2V,工作电压下响应率为0.65 A/W,最大内部量子效率达到90％以上,响应速度能够达到6.3 GHz,在400～900 nm波长范围内,能够得到很大的响应度.     

SPAD探测器深n阱保护环宽度对暗计数噪声的影响

为了探究单光子雪崩二极管(SPAD)器件的保护环宽度(W_GR)对暗计数噪声的影响,基于标准180 nm CMOS工艺,设计了以低浓度掺杂深n阱(DNW)为保护环的p阱(PW)/DNW结构,通过实验和TCAD仿真研究了W_GR对暗计数噪声的影响。实验结果表明,当W_GR从1μm增加到2μm时,室温下SPAD器件的暗计数率(DCR)从79 kHz显著减小到17 kHz;当W_GR从2μm增加到3μm时,DCR不再发生明显变化。TCAD仿真揭示了当W_GR从2μm减小到1μm时,保护环区域的电场强度增长较大,导致缺陷辅助隧穿(TAT)效应引起的暗计数显著增加。当W_GR增加到2μm以上时,保护环区域的电场强度不再降低,继续增大W_GR对降低DCR不再有效,反而会导致SPAD器件填充因子减小。因此DNW W_GR为2μm的SPAD器件在具有低暗计数率的同时又有较小的尺寸,有利于高密度阵列的集成。     

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。     

标准CMOS工艺低压栅控硅发光器件设计与制备

本文采用0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的低压栅控硅基发光器件.该光源器件内部采用n+-p+-p+-n+-p+-p+-n+的叉指结构,在相邻两个p+有源区之间覆盖多晶硅栅作为第三端控制电极,用于在源/漏区边缘形成场诱导结,降低p+/n-well结的反向击穿电压,提高器件发光功率.测试结果表明,该光源器件可以发射420nm～780nm的黄色可见光,在3V的正向栅压下,p+/n-well发光二极管的反向击穿电压下降到3V以下,光输出功率提高至2倍以上.本文设计的光源器件工作电压较低,并且与CMOS工艺完全兼容,可以与其他CMOS电路共用电源并且实现单片集成,在硅基光电子集成领域具有一定的应用价值.     

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。     

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%。     

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.     

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。     

吸收层与倍增层分离的4H-SiC雪崩光电探测器

设计和制备了吸收层和倍增层分开的4H-SiC穿通型雪崩紫外光电探测器.设计器件的倍增层和吸收层厚度分别为0.25和1μm.采用multiple junction termination extension(MJTE)方法减少器件的电流集边效应和器件表面电场.对器件的暗电流、光电流和光谱响应进行了测量.器件在55V的低击穿电压下获得了一个高的增益(＞104);穿通前器件暗电流约为10pA数量级;0V偏压下器件光谱响应的紫外可见比大于103.光谱响应的峰值波长随反向偏压的增大而向短波方向移动,在击穿电压附近光谱响应的峰值波长移到210nm,此波长远远小于在0V时的响应峰值.结果显示器件在紫外光探测中具有优良的性能.     

吸收层与倍增层分离的4H-SiC雪崩光电探测器

设计和制备了吸收层和倍增层分开的4H-SiC穿通型雪崩紫外光电探测器.设计器件的倍增层和吸收层厚度分别为0.25和1μm.采用multiple junction termination extension(MJTE)方法减少器件的电流集边效应和器件表面电场.对器件的暗电流、光电流和光谱响应进行了测量.器件在55V的低击穿电压下获得了一个高的增益(＞104);穿通前器件暗电流约为10pA数量级;0V偏压下器件光谱响应的紫外可见比大于103.光谱响应的峰值波长随反向偏压的增大而向短波方向移动,在击穿电压附近光谱响应的峰值波长移到210nm,此波长远远小于在0V时的响应峰值.结果显示器件在紫外光探测中具有优良的性能.