SOI基横向多电荷层SACM雪崩光电二极管的设计与研究
发布时间：2020-10-18 14:57
光电检测是光通信、光存储、光探测的核心技术。随着通信技术的发展,人们逐渐追求能够探测到光子级别的微弱光的探测器,单光子检测技术因此应运而生,并在国防安全,社会经济和工业生产等领域占据重要地位,成为了国内外科研工作者的研究热点。在众多单光子探测器中,使用雪崩光电二极管制作的单光子雪崩探测器因其内部增益大,噪声低、灵敏度高,能够与现有CMOS工艺兼容、集成度高的优点,成为了单光子检测中的主流。本文基于SOI CMOS工艺设计一种横向结构多电荷层的SACM APD(Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photo Detector)器件,采用吸收区与倍增区分离的SACM结构,因此吸收区中的光生载流子只有电子能到达倍增区发生碰撞电离,实现了单种载流子雪崩,降低雪崩噪声。并在吸收区和倍增区之间加入阶梯掺杂电荷层,从而改善了吸收区与倍增区的电场,加大载流子的漂移速度,提高频率响应,有效解决雪崩电压与频率响应之间的矛盾。横向结构可以忽略曲率效应,并能有效解决响应度与频率响应之间的矛盾。首先,采用Silvaco ATLAS仿真器对器件的I-V特性和频率响应进行模拟仿真。得出器件的雪崩电压为8.2V,在波长为400nm,光强为0.001 W/cm2时,当反向偏压为8.2V时,器件的响应度可达160.4A/W,在9.5V反向偏压下,器件的截止频率可达10GHz。其次,采用Silvaco ATHENA仿真器对设计的器件进行工艺仿真,得出了合理有效的工艺步骤,并使用ATLAS仿真器对工艺实现后的器件的I-V特性进行仿真,得到的器件雪崩电压与软件建模的雪崩电压存在1V的偏差。最后,设计了一种有源淬火电路和读数电路并完成了版图设计,电路的死时间为7ns,最大光子计数率约为150Mcps。
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.7
【部分图文】：
ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）三种。??光电倍增管是最早用于单光子检测的的器件［３］，其工作原理基于光电效应和二级电??子发射具体如图１．１所示：??ｈｖ?光电阴极?倍增级?４电阳极??—Ｗ??倍職?倍增级??图１．１?ＰＭＴ简单工作原理??ＰＭＴ主要由光电阴极、倍增级和光电阳极组成。光子入射到光电阴极上，由于光??电效应，光电阴极产生光生电子，光生电子在倍増级之间的电场作用下加速，射向倍增??级，并在倍増级出产生二次发射电子，在经过多级倍增级后，将会产生大量二次发射电??１??
图２．３不同ｋ值下倍増噪声与增益的关系??从图中可以看出单一载流子雪崩型的ＡＰＤ具有更小的倍增噪声
＇?ｅｘｐ［－＾＊ｊｃ］?（２．１９）??图２．４为局域模型和非局域模型的电子碰撞电离率随载流子的分布图。从图中可以??看出，在局域模型中，电子在ｘ＝０时即碰撞电离。而在非局域模型中，电子在后才??开始碰撞电离，因为电子已经经过Ａ距离的加速，所以此时的碰撞电离率要大于局域模??型的碰撞电离率。??－?；＼?一■一?Ｎｏｎ－ｌｏｃａｌ??０?ｘ??图２．４局域模型和非局域模型的空穴碰撞电离率与载流子的位置关系??２．４?ＳＰＡＤ的性能参数??ＳＰＡＤ有两种工作方式：线性模式和盖革模式。线性模式中光电流与入射光的功??率成正比。而盖革模式中输出的光电流与入射光功率无关，因此只能探测是否有光??子到来。ＳＰＡＤ的性能参数主要有：响应度、带宽、光子探测效率、暗计数率和死时??１３??
【相似文献】
本文编号：2846448
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.7
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ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）三种。??光电倍增管是最早用于单光子检测的的器件［３］，其工作原理基于光电效应和二级电??子发射具体如图１．１所示：??ｈｖ?光电阴极?倍增级?４电阳极??—Ｗ??倍職?倍增级??图１．１?ＰＭＴ简单工作原理??ＰＭＴ主要由光电阴极、倍增级和光电阳极组成。光子入射到光电阴极上，由于光??电效应，光电阴极产生光生电子，光生电子在倍増级之间的电场作用下加速，射向倍增??级，并在倍増级出产生二次发射电子，在经过多级倍增级后，将会产生大量二次发射电??１??
图２．３不同ｋ值下倍増噪声与增益的关系??从图中可以看出单一载流子雪崩型的ＡＰＤ具有更小的倍增噪声
＇?ｅｘｐ［－＾＊ｊｃ］?（２．１９）??图２．４为局域模型和非局域模型的电子碰撞电离率随载流子的分布图。从图中可以??看出，在局域模型中，电子在ｘ＝０时即碰撞电离。而在非局域模型中，电子在后才??开始碰撞电离，因为电子已经经过Ａ距离的加速，所以此时的碰撞电离率要大于局域模??型的碰撞电离率。??－?；＼?一■一?Ｎｏｎ－ｌｏｃａｌ??０?ｘ??图２．４局域模型和非局域模型的空穴碰撞电离率与载流子的位置关系??２．４?ＳＰＡＤ的性能参数??ＳＰＡＤ有两种工作方式：线性模式和盖革模式。线性模式中光电流与入射光的功??率成正比。而盖革模式中输出的光电流与入射光功率无关，因此只能探测是否有光??子到来。ＳＰＡＤ的性能参数主要有：响应度、带宽、光子探测效率、暗计数率和死时??１３??
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本文编号：2846448
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