高光电探测效率CMOS SPAD器件的研究

发布时间：2020-03-24 14:12

【摘要】：近年来,随着工艺水平的日益提高以及科学技术日新月异的发展,单光子探测技术正向集成化、微型化、阵列化等方向发展,而传统结构的光电倍增管(Photomultiplier Tubes,PMT)、雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)等探测器已经无法满足某些特定工程应用的要求。为了能精确探测出微弱光信号或是单光子信号,需要研究高灵敏度的单光子探测器。因而,目前各国学者对工作在盖革模式下的APD,即单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)进行了广泛的研究。SPAD器件凭借其高速、优越的时间分辨率及卓越的光学灵敏度特性,能对单光子量级的微弱光信号进行有效探测,成为制作单光子探测器的理想器件。本文针对650-950 nm波段高灵敏度、低强度微光信号的探测需求,对SPAD器件的结构及性能进行了深入研究。该器件采用0.18μm标准CMOS工艺技术进行设计。基本结构采用P~+/深N阱双二极管结构,较深的P~+层厚度加深了PN结结深,有利于提高长波段光的探测效率;通过在P~+有源区周围轻掺杂P阱作为保护环,预防器件发生过早边缘击穿现象;P~+/深N阱结作为击穿区,在此发生雪崩倍增,实现光电转换;深N阱/P-sub结作为屏蔽二极管,阻止衬底光生载流子扩散到工作PN结,减小衬底慢光生载流子扩散对器件响应速度的影响。这种P~+/深N阱结构在650-950 nm波段内的探测效率良好,但暗计数率较高,器件整体性能还有待优化。在基本结构确定之后,根据器件的性能特点,通过理论分析及仿真设计,对器件结构及相关参数进行优化设计。具体开展了以下几个方面的工作:首先,由于扩散保护环技术空间占据较大,造成填充因子低,因此为对器件的紧凑性与延展性进行优化,采用由N阱横向扩散形成的虚拟保护环结构代替重掺杂边缘轻掺杂形成的P阱保护环结构,降低边缘电场,进而抑制结边缘击穿;然后,为改善器件噪声特性,在P~+层中心区域下方注入高掺杂N阱层,增大了中心区域电场,降低器件击穿电压,有效控制器件的暗计数率,也有利于提高长波长探测效率;另外,设计了表面浓度较低的逆行深N阱结构,能增强有源区载流子的收集效果,且部分光生载流子在深N阱区形成,拓展了光吸收区域,从而提高器件整体探测效率。对优化后的SPAD主要性能进行仿真分析,结果表明:优化后SPAD器件的击穿电压明显降低。室温下,击穿电压由优化前的-18.4 V变为-8.2 V。在0.001W/cm~2的入射光照射条件下,反向偏压达到击穿电压时,光电流由1×10~(-12)A迅速增大为mA量级的宏观电流,完成了微弱光信号与可探测电信号之间的有效转换,并在650 nm处达到0.64 A/W的响应度峰值,650-950 nm波段内的响应度均高于0.45 A/W,过偏压为1 V条件下,在550-600 nm波段内具有约为75%的平稳光子探测效率峰值,在650-950 nm的目标探测波段内,探测效率均高于35%,且暗计数率有明显降低,室温下约为1.3 kHz,优化后的SPAD整体性能较之前结构得到显著改善。
【图文】：

经典模型,光电倍增管

光信号转化为可探测的电信号。光谱范围约在 300-1000 nm 之间种[3]：基于外光电效应，如光电倍增管、微通道板(Microchltipliers Tubes, MCP)与混合型光电倍增管(Hybrid Photomultipl；基于内光电效应如雪崩光电二极管。光电倍增管(PMT)倍增管是迄今为止历史最为悠久，发展也最为成熟的真空器件射效应与外光电效应于一体，由真空管入射窗口的光电阴极s)和负责输出信号的阳极三部分构成，其经典模型如图 1.1 所示：在各个电极施加一定的电压，入射光子在光电阴极通过光电发射到真空管中，这些电子在打拿极的电场作用下进行二次电次倍增后于阳极放大，输出大电流，完成光电转换。在正常的出信号的幅度正比于输入信号的光强。

结构示意图,电子,光电发射材料,内壁

大学硕士学位论文第道板是一种工作原理类似于 PMT 的特殊二维光学纤维器件，，由（通道）组装而成，其内部直径大约在 6 μm 到 20 μm 之间，结构示意图。这些毛细管内壁涂有光电发射材料，且在每端施加个连续打拿极。当初级光电子在一个通道内壁发生碰撞时，会级电子再次与内壁碰撞释放出更多电子，以此类推，导致电子。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.7

【参考文献】