一种高密度单光子雪崩二极管探测器像素单元的研究与设计

发布时间：2021-08-19 18:45

　　单光子雪崩二极管（SPAD,Single Photon Avalanche Diode）具有单光子级别的高灵敏度探测特性,逐渐应用于拉曼光谱、正电子发射断层扫描和荧光寿命成像等领域。单光子二极管探测器与纳米CMOS集成电路工艺完全兼容,能够在同一块衬底上集成SPAD探测器、像素单元电路和读出电路,从而具有低成本、小型化等优点。提高像素单元的占空比和阵列的集成度是单光子雪崩二极管的研究热点和发展趋势。本文为了实现高密度阵列的研究目标,在保证性能不降低的情况下,对于如何有效缩小SPAD器件的面积和像素单元电路的面积进行了深入的研究。首先,对SPAD器件尺寸缩小技术进行了研究。重点分析了传统p阱保护环结构和两种虚拟保护环结构器件在缩小尺寸后雪崩区电场、击穿特性以及探测面积的变化。通过Silvaco软件仿真表明传统保护环结构的有源区尺寸不适合缩小到8μm以下,而两种虚拟保护环结构可以缩小到最小2μm。进一步对p+/pw/dnw虚拟保护环器件在进行了暗计数率（DCR）和光子探测效率（PDE）的仿真建模。理论计算结果表明,室温下过偏压为3.5V时,光子探测效率最高达到30%,DCR低于200Hz。... 

【文章来源】：南京邮电大学江苏省

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

淬灭/复位电路对应的版图

(a) (b)图 5.3 淬灭/复位电路 (a) DRC 检查结果； (b) LVS 验证结果 DRC 与 LVS 如图 5.2 所示，经过仔细的版图设计，最后将电路经过设计，除多晶硅与金属的密度报错之外均无报错，各器件连线均正确连接，因此数电路版图设计与验证电荷共享法的计数电路版如图 5.4 所示，计数电路由 1 个 PMOS 管。4 个 于 SMIC0.18μm 工艺没有低于 20fF 的电容模型，因此第四章提到的寄生电 电容，利用两条金属层 M1 并联走线数微米形成，通过电容两端的参数提。由于计数电容 C1 针对每次共享的电荷进行计数，需要高精度、高匹配度果的线性度与均匀性，因此采用 MIM 电容作为计数电容。设置 M1 层金属

基于电荷共享法计数电路版图

【参考文献】：
期刊论文
[1]面阵激光雷达多通道时间间隔测量系统研制[J]. 周国清,周祥,张烈平,张飙,杨春桃,刘毅龙,黎明焱.  电子器件. 2015(01)
[2]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)
[3]基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究[J]. 黄建华,吴光,曾和平.  光学学报. 2014(02)
[4]激光脉冲强度对于盖革模式单光子探测测距精度影响的理论研究[J]. 王飞,赵远,张宇,孙秀冬.  光学学报. 2010(10)
[5]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)
[6]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)

硕士论文
[1]激光阵列接收信号采集与处理研究[D]. 龚驰邈.北京理工大学 2014



本文编号：3351945