基于CMOS工艺的垂直双结单光子成像单元设计
发布时间：2021-09-03 01:10
在可见光和近红外光波段,硅单光子雪崩二极管作为硅单光子探测器的核心器件已经被广泛地研究和实现,在检测弱光信号方面发挥了重要作用。在过去的十年中,特别是在单光子雪崩二极管与CMOS工艺的结合之后,单光子探测传感技术在荧光光谱、生物、量子信息和量子光学等领域都展现出了良好的应用前景和发展潜力。众所周知,以堆叠结光电二极管为核心器件的CMOS图像传感器不必借助拜耳模式的滤色器就可以分辨光谱。受这种结构的影响,许多专家和学者开始研究基于CMOS工艺的堆叠结单光子雪崩光电二极管,以期望在微光条件下能实现光谱分辨。本文参考现有的单结结构器件,设计了一个垂直堆叠的双结结构器件,能够同时对蓝紫光和近红外光进行探测。首先,对单光子雪崩光电二极管的边缘效应、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了全面的阐述,并且对SPAD的三种淬灭模式（被动式淬灭模式、主动式淬灭模式和门控式淬灭模式）进行了分析和比较,得出它们各自的优缺点和适用情况。然后,提出了一种基于SOI工艺的垂直堆叠的双结结构。其中浅结部分由p+区域、n型电荷层确定了中心有源区域,结合反型n阱组成了虚拟保护环;深结部分由深n阱和p型外延层组成,依靠外...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 单光子探测器研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 SPAD探测器国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 发展趋势
1.3 本文创新点及主要研究内容
1.3.1 本文创新点
1.3.2 本文研究内容
1.4 论文的主要工作和章节安排
第2章 SPAD探测器像素单元的工作原理
2.1 盖革模式的原理
2.2 单光子雪崩二极管探测器的工作原理
2.3 单光子雪崩二极管探测器的成像过程
第3章 单光子雪崩光电二极管的物理基础
3.1 SPAD的性能参数
3.1.1 击穿电压
3.1.2 边缘效应
3.1.3 光子探测效率(PDE,PhotonDetectionEfficiency)
3.1.4 暗计数率(DCR,DarkCountRate)
3.1.5 后脉冲率
3.1.6 死时间
3.1.7 时间分辨率
3.1.8 串扰率
3.2 淬灭恢复电路
3.2.1 被动式淬灭恢复电路
3.2.2 主动式淬灭恢复电路
3.2.3 门控式淬灭恢复电路
3.3 计数电路
3.4 小结
第4章 单光子雪崩光电二极管的优化与设计
4.1 雪崩光电二极管器件的结构介绍
4.1.1 SPAD的台式型与平面型结构
4.1.2 SPAD的保护环结构
4.1.3 堆叠结型的SPAD结构
4.2 SPAD的结构设计
4.3 SPAD结构特性的仿真
4.3.1 SilvacoTCAD仿真软件的介绍
4.3.2 SPAD结构的仿真
4.3.3 SPAD结构的V—I特性仿真
4.3.4 SPAD的电场分布仿真
4.3.5 SPAD的碰撞产生率的仿真
4.3.6 SPAD的雪崩产生率的仿真
4.3.7 PDE的仿真和计算
4.3.8 DCR的仿真和计算
4.4 PDE性能的优化
4.4.1 PDE增强机制
4.4.2 仿真验证
4.5 小结
第5章 SPAD淬灭恢复电路的设计与仿真
5.1 SPAD等效电路模型
5.1.1 SPAD的简单等效电路
5.1.2 改进的SPAD等效电路模型
5.2 淬灭恢复电路的设计和仿真
5.2.1 主动式淬灭恢复电路的设计
5.2.2 延时电路的设计
5.2.3 淬灭恢复电路的整体设计
5.3 SPAD像素单元版图的设计
5.4 小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
附录 ：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目
本文编号：3380100
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 单光子探测器研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 SPAD探测器国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 发展趋势
1.3 本文创新点及主要研究内容
1.3.1 本文创新点
1.3.2 本文研究内容
1.4 论文的主要工作和章节安排
第2章 SPAD探测器像素单元的工作原理
2.1 盖革模式的原理
2.2 单光子雪崩二极管探测器的工作原理
2.3 单光子雪崩二极管探测器的成像过程
第3章 单光子雪崩光电二极管的物理基础
3.1 SPAD的性能参数
3.1.1 击穿电压
3.1.2 边缘效应
3.1.3 光子探测效率(PDE,PhotonDetectionEfficiency)
3.1.4 暗计数率(DCR,DarkCountRate)
3.1.5 后脉冲率
3.1.6 死时间
3.1.7 时间分辨率
3.1.8 串扰率
3.2 淬灭恢复电路
3.2.1 被动式淬灭恢复电路
3.2.2 主动式淬灭恢复电路
3.2.3 门控式淬灭恢复电路
3.3 计数电路
3.4 小结
第4章 单光子雪崩光电二极管的优化与设计
4.1 雪崩光电二极管器件的结构介绍
4.1.1 SPAD的台式型与平面型结构
4.1.2 SPAD的保护环结构
4.1.3 堆叠结型的SPAD结构
4.2 SPAD的结构设计
4.3 SPAD结构特性的仿真
4.3.1 SilvacoTCAD仿真软件的介绍
4.3.2 SPAD结构的仿真
4.3.3 SPAD结构的V—I特性仿真
4.3.4 SPAD的电场分布仿真
4.3.5 SPAD的碰撞产生率的仿真
4.3.6 SPAD的雪崩产生率的仿真
4.3.7 PDE的仿真和计算
4.3.8 DCR的仿真和计算
4.4 PDE性能的优化
4.4.1 PDE增强机制
4.4.2 仿真验证
4.5 小结
第5章 SPAD淬灭恢复电路的设计与仿真
5.1 SPAD等效电路模型
5.1.1 SPAD的简单等效电路
5.1.2 改进的SPAD等效电路模型
5.2 淬灭恢复电路的设计和仿真
5.2.1 主动式淬灭恢复电路的设计
5.2.2 延时电路的设计
5.2.3 淬灭恢复电路的整体设计
5.3 SPAD像素单元版图的设计
5.4 小结
第6章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
致谢
参考文献
附录 ：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目
本文编号：3380100
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3380100.html
