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。     

应用于激光飞行时间(TOF)测量的时间数码转换器芯片

高精度、高速、体积小、低功耗的定时器为激光飞行时间测量应用的关键部件.在单一程式逻辑芯片上成功制作具备上述优点且内含自我校准电路的完整时间数码转换器,使用最近提出的"分支式传递延时(PD)链"作时间内插,对不足计时周期的时段作细分计量.实验证实线性度达0.23%,比传统"单线式"PD链提高10倍,且其线性不受温度与电压影响.单发分辨率为1.459 ns,多发统计分辨率大约0.7 ns.本文也提出了分辨率提高到0.1 ns的方法.     

单光子激光测距技术研究进展

随着工业的不断发展,单光子激光测距凭借其探测距离远和探测灵敏度高等特点在测绘领域扮演着不可或缺的角色.本文介绍了单光子激光测距的关键技术、单光子探测器以及着重介绍了单光子激光测距技术应用领域的研究进展,并对未来单光子激光测距的发展进行了总结和展望.     

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...     

基于信道容量的单光子探测研究

单光子探测技术对于量子密钥分配乃至量子信息技术都有重要的意义.文章引入了信道容量作为量度指标评价单光子雪崩光电二极管(SPADs)的性能,经研究表明,在综合考虑器件结构、工作电压、倍增层材料等各种因素的基础上,信道容量的引入可以使SPADs的性能从理论上达到最优.     

基于APD参数建模的单光子探测研究

单光子探测技术对于量子密钥分配乃至量子通信有重要的意义。针对单光子雪崩光电二极管（SPADs）的单光子量子效率（SPQE）,提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3和1.5um的In052Al048As、InP倍增层和In052Al048As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。     

基于MAX5026的单光子探测器直流偏压源设计

讨论了单光子探测器核心器件雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)的特殊工作原理,并在此基础上介绍了使用PWM升压变换器MAX5026设计出的一种APD直流偏压源方法。阐述了电路的主要设计要点,对电路性能进行了分析说明。实验结果表明:这种小功率直流偏压源电路工作性能良好,具有高稳定性和低纹波输出,能满足单光子探测时APD雪崩击穿对电源电压的要求,是一种理想APD直流偏压源。     

基于InGaAs/InP探测器的单光子探测电路研究

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体,可以突破现有激光探测极限,是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时,存在较大的暗计数和后脉冲概率,影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响,门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间,对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案,以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试,探测电路的死时间为9.3 ns,在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10~(-6)/ns,后脉冲概率为3%。     

单光子探测器的研究进展

单光子探测器能够探测极微弱光信号, 具有较高的灵敏度, 在民用和国防领域都有广泛的应用。近年来, 随着科学技术的飞速发展, 在传统光电探测器件不断优化和改进的同时, 其它新型光电探测器件也得到了极大发展且取得了重要技术成果。为深入了解单光子探测器的技术发展现状和趋势, 总结了目前具有代表性的单光子探测器在研究现状、技术难点和最新技术突破等方面的关键信息, 分析了光电倍增管和雪崩光电二极管等传统单光子探测器的优势与不足以及之后的技术发展方向, 同时还介绍了超导纳米线单光子探测器和基于新型2维材料的雪崩光电二极管等几类具有良好光电性能和巨大发展潜力的新型单光子探测器, 并对其发展前景进行了展望。     

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。     

一种消除模拟TOF阵列探测器FPN的两级CDS电路

提出了一种新颖的两级相关双采样(CDS)电路,用于消除基于时间幅度转换器(TAC)结构的高密度光子飞行时间(TOF)阵列探测器的固定模式噪声(FPN)。相比于传统的全差分电路,该电路的结构更加简单,每一级仅使用两个开关管和一个采样电容。电路采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺制造,面积仅为40μm×35μm,静态功耗仅为301μW。测试结果表明,所提出的两级CDS电路具有99.98%的高线性度,在1.8 V电源下实现了0.9 V的宽输出摆幅,FPN总量减少了54%以上。提出的CDS方案可以有效消除阵列的像素级和列级的FPN,非常适用于基于TAC的高密度TOF阵列探测器。     

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。     

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.     

基于InGaAs/InP APD的单光子探测器设计与实现

针对现有单光子探测器模块价格昂贵和电路复杂的不足,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APD门控驱动信号和雪崩信号鉴别电路的设计方案,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20%,当探测效率为16%时,暗计数率(DCR)约为7.2×10-6/ns。     

一种Gm-APD阵列型读出电路的设计与实现

提出了一种雪崩光电二极管(APD)阵列读出电路的系统架构。针对2×8盖革模式InGaAs-APD传感器阵列,进行读出电路系统设计,其中的时间数字转换器(TDC)采用游标卡尺二段式结构,将计数分为粗计数与细计数,计数器放置在像素外,整个芯片共用一个计数器,以实现资源共享,减小了芯片面积,降低了系统功耗。全局采用高、低频时钟分别控制计数、传输数据,进一步降低系统功耗。系统采用CSMC 0.5μm CMOS工艺进行流片验证。测试结果表明,该系统的功能与时序正确。     

一种Gm-APD阵列型读出电路的设计与实现

提出了一种雪崩光电二极管(APD)阵列读出电路的系统架构。针对2×8盖革模式InGaAs-APD传感器阵列,进行读出电路系统设计,其中的时间数字转换器(TDC)采用游标卡尺二段式结构,将计数分为粗计数与细计数,计数器放置在像素外,整个芯片共用一个计数器,以实现资源共享,减小了芯片面积,降低了系统功耗。全局采用高、低频时钟分别控制计数、传输数据,进一步降低系统功耗。系统采用CSMC 0.5 μm CMOS工艺进行流片验证。测试结果表明,该系统的功能与时序正确。     

G-APD阵列——一种具有单光子灵敏度的三维成像探测器

介绍了一种利用盖革模式雪崩二极管(G-APD)作为成像单元的新型阵列光电探测器,重点介绍了该新型成像光电探测器的关键技术、器件研发和系统应用的发展状况。G-APD阵列探测器兼具单光子探测灵敏度和皮秒级时间分辨率两大特点,适用于对极微弱光目标的三维成像探测。同时,G-APD阵列探测器又是一种全固态的光电探测器件,不仅体积小、重量轻、可靠性高,而且还可用现有的微光电子工艺进行规模化生产。因此,G-APD阵列是目前阵列光电探测器件的一个重大发展,必将在各种高端光电成像领域获得广泛的应用。     

（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。