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.     

基于盖革模式雪崩光电二极管紫外计数系统

针对工作在盖革模式下的硅基雪崩光电二极管(APD)进行了接收电路的设计,通过主动淬灭加快恢复的方式,对APD偏压进行调控,利用单稳态触发器使淬灭信号和恢复信号独立控制APD阳极的电压,从而同时控制淬灭时间和恢复时间,将死时间缩短至100.5ns,计数频率提升到10MHz,有效减少了后脉冲效应。采用脉冲甄别技术和单片机,对脉冲信号进行计数,通过对可见盲光子计数和暗计数的甄别,实现对微弱紫外信号的检测,为盖革模式下APD紫外通信奠定了基础。     

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.     

单光子雪崩二极管猝熄电路的发展

单光子雪崩二极管(SPAD)是工作在击穿电压上的雪崩光电二极管(APD).对于极弱光学信号的探测,例如超高音速飞行器早期预警的应用,SPAD可能是理想的探测器选择.SPAD必须与猝熄电路配套工作.基于pn结等效电路模型,分析了适用于SPAD雪崩猝熄的基本电路结构,例如被动、主动以及混合猝熄电路等.对于SPAD器件测试和...     

盖革模式雪崩光电二极管激光雷达累积探测性能的研究

利用单个盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)对单脉冲测距的激光雷达探测性能进行了研究。从Gm-APD进行单光子探测的模型出发,研究长死时间情况下,单脉冲多次累积探测的探测概率(PD)和虚警概率(PFA)。研究目标区间在选通门中的位置及平均信号光电子数的变化对PD、PFA的影响;对不同次数累积探测下的PD、PFA做了比较和分析。理论研究和数值计算结果表明,累积探测能够提高探测性能,增加累积次数到3次,就可以非常明显地提高探测性能;控制好选通门的开启时间,可以明显提高探测性能;在接收一个激光脉冲时,只需产生4个光电子数就可以使探测性能基本达到最佳。     

单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。     

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%。     

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.     

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。     

基于硅雪崩光电二极管的紫外盖革模式电路的研制

本文旨在研制盖革模式电路并在两种紫外光照射下测试电路性能,为紫外通信提供数据参考.研制了适用于硅雪崩光电二极管(APD)的主动、被动两种盖革模式电路,设计并实现了输出可调至300.0 V的高稳定直流高压偏置电源,实测纹波电压小于20.4mV,纹波系数小于6.8×10-5.分别在可见盲和日盲两种紫外光照下,测试了被动盖革模式APD的死时间、暗计数和光子计数,给出了被动盖革模式工作的较佳高压偏置范围;紫外光照下,被动盖革模式APD的电路输出脉冲的死时间为1.0μs.基于被动盖革模式电路测试的参数,研制了主动盖革模式电路,实验结果表明:主动盖革模式电路输出脉冲的死时间为102.0 ns,光子计数的上限由被动盖革模式的1.0 MHz提高到主动盖革模式的9.8 MHz.因此主动盖革模式电路在数据传输时有更高的传输带宽,预计可满足一些图像传输或者视频通信的基本要求.     

GaN基雪崩光电二极管及其研究进展

越来越多的民用与军事对高灵敏度紫外探测的需求促进了GaN基雪崩光电二极管（APD）的快速发展。雪崩光电二极管工作在高反偏电压状态,器件内部载流子在高场下发生碰撞离化,从而使探测信号产生增益。首先对GaN基雪崩光电二极管的研究进展进行了回顾,然后重点报道了器件的增益最大可达3105,介绍了本征层厚度与器件暗电流的关系,简单介绍了正在组建的基于相敏探测的交流增益测试系统,并研究了过剩噪声与调制频率之间的关系,发现在低频波段（30~2kHz）,过剩噪声呈现1/f噪声特性。最后,对盖革模式的雪崩光电二极管的研究进展及应用前景进行了简单介绍。     

盖革模式雪崩光电二极管的场效应管淬灭电路设计

雪崩光电二极管(Avalanche Photondiode,APD)是一种常用于激光探测领域的光敏元件.本文针对盖革模式雪崩光电二极管(Geiger Mode-Avalanche Photondiode,Gm-APD)工作时发生的雪崩效应,设计了一种场效应管淬灭电路(Field Effect Transistor Qu...     

盖革模式雪崩光电二极管的主动淬灭电路研究

紫外光通信作为新型通信方式,在短距离通信领域具有潜在的应用前景.紫外光通信的探测电路可分为线性模式和盖革模式,盖革模式探测电路在系统带宽和探测灵敏度等方面具有显著优点.本文研究了基于盖革模式雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)的单光子探测电路,实现对微弱紫外光信号的探测.采用主动淬灭快恢复电路,通过淬灭信号和恢复信号控制APD阳极电位,从而减小死时间,提高系统的计数上限.实验发现,对于主动淬灭电路而言,当死时间过小时,淬灭时间和恢复时间除了受到淬灭信号和恢复信号控制外,还会受到电路中电容充放电时间的影响.本文从理论和实验两方面研究了电路中电容和电阻对死时间的影响,为进一步缩短死时间提供了理论指导.     

功率快恢复二极管反偏ESD与雪崩耐量仿真

静电放电(ESD)失效与雪崩耐量是影响高压硅功率二极管,如功率快恢复二极管(FRD)性能及可靠性的两个主要因素.利用ISE TCAD平台,采用简明分段线性电流源,分别对功率FRD反偏ESD过程及雪崩耐量进行仿真计算,讨论二者的共性和差异.结果表明,器件外端电压波形均经历过冲、负阻振荡和平缓发展三个阶段,对应器件内部的“过耗尽”、雪崩注入、载流子及电场分布涨落等复杂变化,差别在于反偏ESD造成的电压过冲更明显,且出现典型的U型电场分布,与雪崩耐量相比对器件造成的影响更剧烈.为改善器件在反偏ESD和雪崩耐量测试过程中的电流丝化问题,考察了结构参数对器件抗ESD能力和雪崩耐量的影响,发现提高n-区掺杂浓度和阳极表面浓度对提高抗ESD能力和雪崩耐量起到促进作用.     

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管阵列性能一致性研究

InGaAs/InP盖革模式雪崩光电二极管(APD)阵列的性能与阵列片内均匀性密切相关.阵列面元的主要结构参数有倍增区厚度、电荷层厚度和掺杂浓度、吸收区的厚度以及器件工作的过偏压.它们的不一致性不仅会造成器件本身性能的差异,还为后续的读出电路带来了巨大的挑战.通过研究APD结构参数变化对其击穿电压(Vbreak)、暗计数率(DCR)和单光子探测效率(PDE)的影响,将APD阵列面元间击穿电压波动控制在±1V以内,使暗计数率和光探测效率的波动小于10％,从而得到不同温度下各个结构参数的最大允许波动值,确定了每个温度下制约器件性能的主要因素,为大规模、高性能盖革模式雪崩光电二极管阵列的材料生长和工艺制备提供了理论依据.     

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.     

（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。     

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。     

单光子雪崩二极管的被动-主动混合抑制技术

采用主动快恢复技术,设计了缩短死时间的被动-主动相结合的抑制电路,制作出高量子效率、低噪声、死时间短的单光子探测器,探测器的死时间由原来的大于2μs缩短为小于100ns,计数率达到5 MHz以上.利用TAC/MCA技术对单光子雪崩二极管(SPAD)输出信号进行了光子自相关测量,研究了2个相邻单光子计数脉冲时间分布统计效应,直接观测到了采用被动-主动混合抑制技术后死时间的改善.