InGaAs/InP盖革模式雪崩焦平面阵列的研制

设计制作了一种由InGaAs/InP雪崩光电二极管阵列与时间计数型CMOS读出电路组成的8×8阵列规格盖革模式雪崩焦平面阵列(GM APD FPA).雪崩光电二极管采用SAGCM结构,在盖革模式下工作具有单光子探测灵敏度;时间计数型CMOS读出电路在每个单元获取光子飞行时间,实现纳秒级的时间分辨率,并完成雪崩淬灭功能.测试结果表明,倒装混合集成的GM APD FPA器件暗计数率(DCR)均值为32.5 kHz,单光子探测效率(PDE)均值为19.5％,单元时间抖动为465 ps,实现了光脉冲时间信息的探测,验证了盖革模式雪崩焦平面阵列技术及其在三维成像中应用的可行性.     

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。     

优质雪崩光电二极管

美国麻省理工学院和林肯实验室采用了倒置台面n⁺-InP/n-GaInAsP/n-InP/P⁺-InP结构,研制出响应到1.25微米的优质雪崩光电二极管。测量得到均匀雪崩增益为700,当M=10时,暗电流密度为3×10^-6安/厘米²,过量噪声因数约为3。     

近红外单光子读取电路

近红外单光子读取电路读取盖革模式下的雪崩光电二极管雪崩信号。采用两个ps级的可编程ECL延时芯片,获得可调的门控脉冲,控制雪崩光电二极管（APD）死时间和淬灭雪崩信号,同时减少后脉冲的影响。详细介绍了门控脉冲产生模块、死时间控制模块以及雪崩信号提取电路。主要采用延迟鉴别、边沿锁存的方法提取雪崩光电二极管雪崩信号。在整个实验过程中,雪崩光电二极管工作温度为-55℃,脉冲宽度10 ns,门控频率1 MHz和10 MHz,激光器激光波长1 550 nm,单光子探测器是PGA-400InGaAs雪崩光电二极管。     

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。     

碲镉汞 PIN结构雪崩器件的I区材料晶体质量研究

本文对中波红外PIN结构的碲镉汞（HgCdTe）雪崩器件关键雪崩区域的材料晶体质量进行研究。通过在实验材料上对PIN结构雪崩器件的全过程工艺模拟,采用微分霍尔、微分少子寿命等测试手段进行材料表征,评估获得了关键雪崩区域的真实材料晶体质量。研究发现,现有优化工艺下雪崩区域的晶体质量良好,拟合材料的SRH寿命最好能达到20.7 μs,可达到原生材料SRH寿命的相当水平,满足高质量中波碲镉汞雪崩器件的研制要求。同时,我们以获得的雪崩区域SRH寿命为基础,对HgCdTe APD结构器件进行相应2维数值模拟,获得理论最优的暗电流密度8.7×10^-10 A/cm²。     

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。     

三维成像用128×2线性模式APD焦平面探测器设计

设计了一种用于激光三维成像的128×2线性模式APD焦平面探测器,器件包括硅基APD焦平面阵列和读出电路。硅基APD焦平面阵列采用拉通型n⁺-p-π-p⁺结构,像元中心距为150μm,工作在线性倍增模式。读出电路采用单片集成技术,将前置放大电路、TDC计时电路和ADC等功能模块集成在单一硅片上。整个线性模式APD焦平面探测器可实现128×2阵列规模的激光信号并行检测,并采用LVDS串口输出激光脉冲信号的飞行时间信息和峰值强度信息。测试结果显示,该线性模式APD三维成像探测器可同时获取时间信息和强度信息,成像功能正常。     

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。     

辐射加固SOI的SRAM基FPGA中IO模块阵列的设计与实现

本文中我们提出了一个用于辐射加固的SRAM基FPGA VS100的输入输出模块阵列,该FPGA用0.5微米部分耗尽SOI工艺设计,在中电集团58所流片。与FPGA的特性一致,每一个IO单元都由布线资源和两个IOC组成,IOC包括信号通路电路,可编程输入/输出驱动器和ESD保护网络组成。IO模块能用于不同的工作模式时,边界扫描电路既可以插入在输入输出数据路径电路和驱动器之间,也可以作为透明电路。可编程IO驱动器使IO模块能够用于TTL和CMOS电平标准。布线资源使得IO模块和内部逻辑之间的连接更加灵活和方便。辐射加固设计,包括A型体接触晶体管,H型体接触晶体管和特殊的D触发器的设计提高了抗辐射性能。ESD保护网络为端口上的高脉冲提供了放电路径,防止大电流损坏内部逻辑。这些设计方法可以适用于不同大小和结构的FPGA设计。IO单元阵列的功能和性能经过了功能测试和辐射测试的考验,辐照实验结果表明,抗总剂量水平超过100Krad(Si), 抗瞬态剂量率水平超过1.510¹¹rad(Si)/s,抗中子注入量水平达到110¹⁴ n/cm²。     

基于InAs/GaSb超晶格的中波段红外焦平面材料生长与器件制备

本文展示了基于InAs/GaSb二类超晶格材料的中红外焦平面器件制备研究。探测器材料由400周期的结构为8ML InAs /8ML GaSb 的超晶格构成。超晶格材料通过分子束外延技术在N 型GaSb(100)衬底上生长。超晶格层与GaSb衬底层的失配被降低到148.9ppm,通过高分辨X射线衍射分析得到超晶格层的1级衍射峰半缝宽达到28arcsec.。单元探测器和128×128像元红外焦平面通过柠檬酸系腐蚀配方制备完成。通过I-V测试分析表明器件工艺中的化学和物理钝化能够有效降低器件的表面漏电流。最终单元探测器件在77K温度下50%截止波长为4.73微米,R₀A 达到 10³Ωcm²量级。最后我们对焦平面器件进行了成像实验,测试条件为积分时间0.5ms,光圈F/2.0,器件黑体平均探测率达到2.01 × 10⁹cmHz^1/2W^-1.。     

碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器(特邀)

单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来,国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术,充分放大光子信号,以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs)具有更高的量子效率,可替代传统的可见光光子计数系统,但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件(HgCdTe APD)的过剩噪声因子接近1,几乎无过剩噪声;相对于盖革模式的雪崩器件,没有死时间和后脉冲,不需要淬灭电路,具有超高动态范围,光谱响应范围宽且可调,探测效率和误计数率可独立优化,开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域,在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神(Raytheon)公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状,分析了吸收倍增...     

基于VO2薄膜的军用激光测距机雪崩二极管防护特性研究

为实现对军用激光测距机雪崩二极管的有效防护，通过实验的方法测试了VO₂薄膜在1064 nm激光辐照下的基本性质，得出了其相变前后透过率与膜厚的关系以及不同厚度VO₂薄膜对C30950E雪崩二极管最低饱和入射激光阈值的影响，并给出了拟合公式。实验结果表明,随着膜厚的增加,雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值逐渐提高;膜厚为200 nm的VO₂薄膜可将雪崩二极管的最低饱和入射激光阈值由5×10^-6 W提高到 1.2×10^-5 W。由于目前国内针对军用激光测距机雪崩二极管激光防护开展的研究还较少，且大多局限在理论层面、缺乏实验数据支撑，因此本文提供的数据和拟合公式不仅可以进一步验证将VO₂薄膜用于军用激光测距机雪崩二极管防护的可行性，而且为进一步开展各型激光测距装备雪崩二极管防护研究提供了数据参考。     

GM-APD阵列高精度像素读出电路设计

提出并设计了一种适用于激光3D成像的盖革模式雪崩光电二极管（Geiger-mode avalanche photodiode,GM-APD）阵列像素读出电路。基于飞行时间（time-of-flight,TOF）原理,像素读出电路主要由两部分组成:有源淬火电路（active quenching circuit,AQC）和时间数字转换器（time-to-digital converter,TDC）。所采用的TDC是粗细结合的两段式计数方式,成功实现了时钟频率和时间分辨率间的折中。基于内插技术,由粗计数的线性反馈移位寄存器和细计数的延时线型TDC共同实现了高达18-bit的动态范围。同时两者的时钟频率分别降低至250 MHz和500 MHz,分别是常规设计频率的1/20和1/10,大大降低了设计和应用难度。电路采用SMIC 0.18 m工艺设计,后仿结果显示达到了200 ps的高精度时间分辨率,对应的距离分辨率为3 cm,完全能够满足3 km激光3D成像中的测距要求。像素电路版图面积小于5095 m2,总功耗为0.89 mW,具有小面积和低功耗的优势。     

基于InGaAs NFAD的集成型低噪声近红外单光子探测器

近年来,单光子探测技术在激光雷达等方面的应用越来越受到研究人员的关注。研制了基于InGaAs负反馈雪崩二极管(Negative Feedback Avalanche Diode, NFAD)的自由运转式集成型近红外单光子探测器。设计将被动淬灭原理的NFAD与主动淬灭技术结合,针对NFAD的信号读出电路易受电磁干扰的问题,创新地提出了无前级放大器的雪崩信号高阻抗差分提取电路,并采用吸波材料对关键电路部分进行了屏蔽,同时提高了淬灭性能和稳定性。此外,为了降低暗噪声计数率,针对集成制冷型NFAD器件的散热进行了详细的热设计,对集成热电制冷的NFAD器件和高速淬灭电路发热量较大的特点进行了电路和散热结构设计优化。通过实验对淬灭电路性能、散热设计和抗干扰设计进行了验证。结果表明：无前置放大器设计的探测器性能稳定,对1 550 nm波长光子的最高探测效率可达33%,在-50℃、10%探测效率时可用死时间低至120 ns,此时暗计数率890 Hz,后脉冲概率10.6%。探测器散热性能良好,环境20℃风冷下的最低制冷温度可稳定在-58℃。上述结果表明这一低噪声计数、高集成度的通信波段近红外单光子探测器...     

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 Quenching Circuit）。首先,针对Gm-APD器件的特性建立了Gm-APD的电学模型。其次,在此模型的基础上,设计并仿真验证了场效应管淬灭电路,实现了对Gm-APD的快速淬灭。结果表明,本文设计的场效应管淬灭电路淬灭速度快、死时间短、性能较优,淬灭时间和死时间分别为21.026 ns和16.5 ns,满足激光测距成像的应用需求。     

APD单光子计数的主动抑制系统

设计了一种主动抑制系统,用以控制APD在单光子计数检测时的死区时间。该系统主要利用ECL(射随耦合逻辑)电平电路对雪崩脉冲进行快速甄别从而判断光子到来与否,再将比较器输出的脉冲通过整形处理输出给延时电路,利用CPLD搭建延时电路,输出两路延时脉冲,两路延时脉冲分别输出给主动抑制电路和快恢复电路,以完成APD死区时间的控制。此主动抑制系统,有效地将死区时间缩短在45 ns;将光子计数率提高到20 MHz。     

一种高线性度相位插值器

设计并实现了一种高线性度相位插值器。分析了相位插值器的工作原理和传统相位插值器结构,以此为基础,提出了一种具有高线性度的相位插值器电路。该电路采用TSMC 90 nm CMOS工艺进行设计,后仿真结果表明本设计的相位插值器具有良好的线性度,整个电路版图面积为(155×368) μm²,核心电路面积为(63×114) μm²。在1.2 V的电源电压下,相位差值器模块电路的功耗为3.12 mW。     

Si-APD单光子探测器的全主动抑制技术

为了缩短单光子探测器工作的死时间，提高单光子计数率，在分析单光子探测器被动抑制工作模式的基础上，针对硅雪崩光电二极管的工作特点，实验设计了精密快速的抑制电路，用以控制探测器的雪崩淬灭和电压恢复，实施了主动淬灭与快恢复相结合的全主动抑制技术。结果表明，该技术使探测器工作在更加安全高效的全主动抑制模式下，最后实验测得探测器总的死时间由原被动抑制模式下大于2μs缩短至120ns，单光子计数率由被动模式下低于1MHz上升到8MHz以上，从而达到了提高计数率的目的，满足一些单光子高效检测和计数的需要。     

一种具有积分电容复用功能的红外读出电路设计

为提高长波红外探测器的电荷处理能力,提出了一种积分电容复用技术。该技术将读出电路阵列分为奇偶行两个部分,使奇偶行像素分开进行积分读出。当所有的奇行像素积分时,所有的偶行像素均不进行积分。奇行像素复用偶行像素的积分电容,奇行像素积分结束后按行列顺序依次读出。同样地,当所有偶行像素积分时,奇行像素不进行积分,偶行像素复用奇行像素的电容,积分完成后偶行像素按顺序读出。相比于使用叠层电容来提高电荷处理能力的方法,积分电容复用技术更加有效且不受工艺限制。仿真结果表明,积分电容复用技术可将像素的等效积分电容提升至原来的2倍,使读出电路的电荷处理能力从20 Me^-提升至40 Me^-。