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。     

单光子探测器SPICE模型及主被动混合淬灭电路研究

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题,设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数,建立了SPAD的SPICE模型;使用被动淬灭电路对该模型进行验证,证实了该模型的准确性和实用性;结合SPICE模型,通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明,所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps,满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单,可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。     

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.     

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...     

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。     

一种用于自由运转SPAD的高速淬灭电路设计

针对标准CMOS工艺的单光子雪崩探测器(Single Photon Avalanche Detector,SPAD),设计了 一种可用于自由运转模式的高速淬灭电路.为了实现淬灭电路的功能设计与精准仿真,根据实测的SPAD电流-电压曲线拟合得到了电流与电压间的多段式函数解析式,进一步建立了 SPAD器件的Verilog-A行为级模型并与淬灭电路进行集成仿真与验证.淬灭电路采用基于电容感应的主被动淬灭结构,利用可变MOS电容的延迟电路实现了关断时间(Hold-off Time)的灵活调节.仿真结果表明,所设计淬灭电路的淬灭时间和恢复时间分别为1.0和1.2 ns,关断时间调节范围为1.02～3.55 μs,可以满足自由运转CMOS SPAD的应用需求.     

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.     

用于光子计数的InGaAs/InP SPAD设计

重点研究了InGaAs/InP SPAD的隧道贯穿电场、雪崩击穿电场、雪崩宽度与过偏电压的关系,提出了过偏电压的计算方法.分析了InGaAs/InP SPAD的基本特性即探测效率、暗计数率与其过偏电压、工作温度、量子效率、电场分布的依赖关系,提出了一种单光子InGaAs雪崩二极管的设计方法.设计制作了InGaAs/InP SPAD,并在门控淬灭模式下进行了单光子探测实验.结果表明:对于200m的SPAD,在过偏2 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 20%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)20 kHz;对于50m的SPAD,在过偏2.5 V、温度-40 ℃条件下,探测效率(PDE) 23%(1 550 nm)、暗计数率(DCR)2 kHz.最后对实验结果进行了分析和讨论.     

（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.     

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。     

激光云高仪单光子探测器混合抑制电路研究与设计

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间在2 ?s以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10 MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。     

SPAD单光子探测器的SPICE模型及其CQC淬火电路研究

在盖革模式下工作的雪崩光子二极管(APD)也称为单光子雪崩光子二极管(singlephoton avalanche photon diode, SPAD)是一种常用于激光测距成像领域的单光子探测器。本文针对SPAD探测应用中的淬火问题,设计了一种电容淬火(capacitive quenching circuit, CQC)电路。首先,根据SPAD器件的性能参数,建立了SPAD的SPICE等效模型,并通过无源淬火电路验证了该模型。其次,基于该等效模型的基础上,仿真验证了所设计的CQC淬火电路的淬火效果。仿真结果表明:所设计的CQC电路不仅具有门控有源淬火电路的优点,而且具有更稳定的偏置电压和击穿电流。本文设计的CQC淬火电路的淬火时间和恢复时间分别为16 ns和41 ns,基本可满足单光子测距的应用需求。     

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％.     

一种适用于射频集成电路的抗击穿LDMOS设计

提出了一种具有深阱结构的RF LDMOS,该结构改善了表面电场分布,从而提高了器件的击穿电压。通过sil-vaco器件模拟软件对该结构进行验证,并对器件的掺杂浓度、阱宽、阱深、栅长进行优化,结果表明,在保证LDMOS器件参数不变的条件下,采用深阱工艺可使其击穿电压提升50%以上。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

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%。     

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.     

多模光纤耦合InGaAsP/InP单光子探测器模块

针对1 064 nm波段高灵敏激光测距应用,设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块.SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计,内部电场分布经Matlab软件仿真,结果显示该结构具有良好的增益特性.SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声.低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成,淬灭时间约为1.2 ns,有效减少了后脉冲效应.测试结果表明,在-30℃,探测效率为30.2％下,暗计数率仅为1.9 kHz,在死时间为0.8μs时,后脉冲为10.4％.通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势,能够满足小型化激光测距应用需求.     

单光子探测器SPAD恒温控制系统设计

分析了单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器雪崩电压的温度特性,得出SPAD的雪崩电压随温度变化约为0.7 V/℃,需要设计恒温控制电路保证SPAD的正常工作.从最优温度控制策略的角度,选用MAX1978温度控制芯片进行电路设计实现SPAD的温度恒定.简要介绍了恒温控制系统的工作原理及各个组成部分.通过恒温控制电路实验验证了电路的可行性,恒温控制电路可以在1 min内使SPAD的工作环境温度恒定在0.06℃内,温度控制速度和精度均能满足SPAD温度恒定的要求,确保单光子探测器SPAD正常工作,使单光子探测器SPAD具有更好的探测性能.     

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。