全集成高密度单光子雪崩二极管阵列探测器研究
发布时间：2021-06-28 19:38
盖革模式下的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列兼具单光子信号探测和皮秒量级的时间相关性,现在已经开始应用于一些重要的科学领域,例如物理学,化学,生物学,航天学等。在与现代纳米CMOS工艺相结合的设计和制造中,能够在一整块芯片上直接集成光子探测器、单元电路和外围读出电路等。在应用于高速弱光环境下的探测时,需要着力提高器件性能、减小噪声、提高芯片集成度。本文在SMIC 0.18μm工艺下设计了一个128×128的全集成高密度单光子雪崩二极管阵列探测器。第一,设计了一种采用虚拟保护环结构和浅沟槽隔离的SPAD器件,使有源区直径降到5μm,整个器件直径降到11μm以下,观察其电场分布和掺杂浓度分布,雪崩电压,内部场强分布,证明了其适合小尺寸的设计。并且这种结构能够避免重掺杂引起的带带隧穿和暗计数率,材料缺陷引起的后脉冲,能够减少边缘效应同时将耗尽层的位置拉低,增加雪崩区深度,提高光子的探测效率。第二,设计了一个高度集成的像素单元电路,包括能够在3.5 ns内完成淬灭复位电路和一种超小规模的模拟计数电路,这个方案能够很好的折中速率和占用面积的影响,在电容取到150 fF时采用对数计数可达到105数...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CMOS-APS图像传感器阵列图
(a) (b)(c) (d)图3.3 多种SPAD保护环结构(a) 0.35 μm P-tub保护环结构；(b) 0.18 μm P阱保护环结构；(c) 第三种：0.18 μm STI/p阱保护环结构；(d)第四种：0.8 μm 虚拟保护环结构第二种是隔离的 p 阱区用作一个保护环，它们是在紧挨着的 n 阱区的地方横向扩散形成，在这种0.18 μm CMOS工艺下，在n阱中放置扩散的 p 阱是不符合工艺规则的[33]。这里是利用深n阱把衬底和 SPAD 有源区隔离，而且它也是和MOS管一致，衬底接地后，高压只能施加到 SPAD 阳极，所以会在阴极上产生大量的寄生电容。由于扩散保护环的存在，也会限制 SPADs 之间的距离和较小填充因子（Fill Factor，FF）。第三种是在深亚微米（DSM
(b)结构和(a)结构有些相似，但是这里将p阱的宽度缩小到STI里面而不是直接拉伸到STI上，这样在STI和P阱之间形成一个虚拟保护环，阻止表面场强过高，而且这种结构面积也是最小的，直径能够达到12μm，而(a)结构的直径需要达到20μm以上。图3.4给出的SPAD版图设计示意图，采用的都是圆形外观的中心对称设计。共同点是这两种结构的都使用了STI作为防止边缘击穿和表面场强过高的保护环，并且都是替换掉普通的n阱，利用高能离子注入深n阱。深n阱是深亚微米工艺所特有的，它可以将器件与衬底隔离开，器件内部的浓度分布随着深度而增加，从而解决噪声耦合问题和闩锁效应问题。用于SPAD结构中，由于深n阱在靠近表面的位置其掺杂浓度较低，可以将耗尽区拉低到深n阱和p阱交界处。(a)(b)图 3.4：SPAD 的两种优化结构和 SMIC 0.18 μm 下的版图形状
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式[J]. 郑丽霞,吴金,张秀川,涂君虹,孙伟锋,高新江. 物理学报. 2014(10)
[2]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真[J]. 王成,孟丽娅,王庆祥,闫旭亮. 半导体技术. 2014(04)
[3]一种硅基雪崩光电探测器的研究[J]. 徐佳,杨虹. 数字技术与应用. 2014(01)
[4]1kbit铁电存储器电路设计技术研究[J]. 张德凯,徐建龙,任天令. 半导体技术. 2012(11)
[5]格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用[J]. 祝晓笑,刘昌举,蒋永富. 半导体光电. 2009(04)
[6]8通道10b的R-C混合式SAR ADC的设计[J]. 裴晓敏. 现代电子技术. 2008(09)
[7]G-APD阵列——一种具有单光子灵敏度的三维成像探测器[J]. 龚威. 激光技术. 2007(05)
[8]通讯波段单光子探测器的研制[J]. 刘云,韩正甫,吴青林,戴逸民,郭光灿. 量子光学学报. 2007(01)
[9]硅雪崩光电二极管单光子探测器[J]. 梁创,aphy.iphy.ac.cn,廖静,梁冰,吴令安. 光子学报. 2000(12)
博士论文
[1]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]低功耗模数转换器的研究与设计[D]. 李现坤.南京邮电大学 2014
[2]面向三维成像的单光子雪崩二极管及像素电路的研究[D]. 周晓亚.湘潭大学 2013
[3]一种高速度高密度的单光子雪崩二极管探测器的研究与设计[D]. 赵菲菲.南京邮电大学 2013
[4]1.8V低功耗8KS/S12位R-C逐次逼近ADC的设计[D]. 孙婧瑶.哈尔滨工业大学 2011
[5]一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计[D]. 刘晓磊.华中科技大学 2011
[6]一种高精度逐次逼近模数转换器的研究与设计[D]. 乔高帅.上海交通大学 2010
[7]320×256红外焦平面读出电路研究[D]. 陈彦宇.电子科技大学 2008
本文编号：3254927
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CMOS-APS图像传感器阵列图
(a) (b)(c) (d)图3.3 多种SPAD保护环结构(a) 0.35 μm P-tub保护环结构；(b) 0.18 μm P阱保护环结构；(c) 第三种：0.18 μm STI/p阱保护环结构；(d)第四种：0.8 μm 虚拟保护环结构第二种是隔离的 p 阱区用作一个保护环，它们是在紧挨着的 n 阱区的地方横向扩散形成，在这种0.18 μm CMOS工艺下，在n阱中放置扩散的 p 阱是不符合工艺规则的[33]。这里是利用深n阱把衬底和 SPAD 有源区隔离，而且它也是和MOS管一致，衬底接地后，高压只能施加到 SPAD 阳极，所以会在阴极上产生大量的寄生电容。由于扩散保护环的存在，也会限制 SPADs 之间的距离和较小填充因子（Fill Factor，FF）。第三种是在深亚微米（DSM
(b)结构和(a)结构有些相似，但是这里将p阱的宽度缩小到STI里面而不是直接拉伸到STI上，这样在STI和P阱之间形成一个虚拟保护环，阻止表面场强过高，而且这种结构面积也是最小的，直径能够达到12μm，而(a)结构的直径需要达到20μm以上。图3.4给出的SPAD版图设计示意图，采用的都是圆形外观的中心对称设计。共同点是这两种结构的都使用了STI作为防止边缘击穿和表面场强过高的保护环，并且都是替换掉普通的n阱，利用高能离子注入深n阱。深n阱是深亚微米工艺所特有的，它可以将器件与衬底隔离开，器件内部的浓度分布随着深度而增加，从而解决噪声耦合问题和闩锁效应问题。用于SPAD结构中，由于深n阱在靠近表面的位置其掺杂浓度较低，可以将耗尽区拉低到深n阱和p阱交界处。(a)(b)图 3.4：SPAD 的两种优化结构和 SMIC 0.18 μm 下的版图形状
【参考文献】：
期刊论文
[1]InGaAs单光子探测器传感检测与淬灭方式[J]. 郑丽霞,吴金,张秀川,涂君虹,孙伟锋,高新江. 物理学报. 2014(10)
[2]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真[J]. 王成,孟丽娅,王庆祥,闫旭亮. 半导体技术. 2014(04)
[3]一种硅基雪崩光电探测器的研究[J]. 徐佳,杨虹. 数字技术与应用. 2014(01)
[4]1kbit铁电存储器电路设计技术研究[J]. 张德凯,徐建龙,任天令. 半导体技术. 2012(11)
[5]格雷码在焦平面CMOS读出电路中的应用[J]. 祝晓笑,刘昌举,蒋永富. 半导体光电. 2009(04)
[6]8通道10b的R-C混合式SAR ADC的设计[J]. 裴晓敏. 现代电子技术. 2008(09)
[7]G-APD阵列——一种具有单光子灵敏度的三维成像探测器[J]. 龚威. 激光技术. 2007(05)
[8]通讯波段单光子探测器的研制[J]. 刘云,韩正甫,吴青林,戴逸民,郭光灿. 量子光学学报. 2007(01)
[9]硅雪崩光电二极管单光子探测器[J]. 梁创,aphy.iphy.ac.cn,廖静,梁冰,吴令安. 光子学报. 2000(12)
博士论文
[1]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]低功耗模数转换器的研究与设计[D]. 李现坤.南京邮电大学 2014
[2]面向三维成像的单光子雪崩二极管及像素电路的研究[D]. 周晓亚.湘潭大学 2013
[3]一种高速度高密度的单光子雪崩二极管探测器的研究与设计[D]. 赵菲菲.南京邮电大学 2013
[4]1.8V低功耗8KS/S12位R-C逐次逼近ADC的设计[D]. 孙婧瑶.哈尔滨工业大学 2011
[5]一种高优值CMOS图像传感器读出电路的设计[D]. 刘晓磊.华中科技大学 2011
[6]一种高精度逐次逼近模数转换器的研究与设计[D]. 乔高帅.上海交通大学 2010
[7]320×256红外焦平面读出电路研究[D]. 陈彦宇.电子科技大学 2008
本文编号：3254927
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