单光子雪崩二极管的性能分析与结构优化
发布时间：2021-12-17 08:05
硅光电倍增管（SiPM）因其高增益、极佳的时间分辨率、不受磁场干扰等优点正逐渐取代光电倍增管（PMT）作为正电子发射型计算机断层显像系统（PET）中探测420nm波长光子的光电探测器。本文旨在对SiPM的基本单元单光子雪崩二极管（SPAD）进行性能研究,并针对420nm波长的目标光子,设计一款具有高探测效率和快速时间响应的SPAD。首先,进行了SPAD的性能分析。根据SPAD探测光子的原理建立了探测效率的仿真模型。考虑到非平衡载流子热扩散过程具有随机性的特点,利用蒙特卡洛方法模拟了光生载流子在中性区中的二维扩散过程,进而推导出时间响应的二维仿真模型。分析了影响暗计数和后脉冲的因素以及抑制这两种噪声的方法。其次,设计了一款适用于探测420nm波长光子的新型SPAD。该SPAD采用了一种新的保护环制作方法,有效抑制边缘击穿的同时避免离子横向扩散损耗填充因子。利用本文提出的性能仿真模型,对重要结构参数进行了的优化,最终确定p型中性区厚度为0.25μm、n阱浓度为8e16/cm3,此时SPAD的探测效率与时间响应性能分别为:2.5V过偏压下的探测效率为50.41%;99....
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
APD与SPAD工作原理示意图
图 1-2 第一代硅光电探测器。左边为 Haitz 的模型[2]，右边为 McIntyre 的模型[3]上世纪七十年代初，PerkinElmer 公司成功研制了世界上第一个单光子雪崩二极管[4]。这种 SPAD 通过被动淬灭的方式实现雪崩淬灭，即利用与 pn 结串联电阻的负反馈效应来淬灭雪崩过程。被动淬灭模式通常需要较长的恢复时间，导致 SPAD 的计数速率通常低于 100kHz，现在也是如此。后来人们提出了主动淬灭模式，使得雪崩建立时间、淬灭时间以及恢复时间大幅缩短，可以实现超过 1MHz 的计数速率[5]。但是主动淬灭电路单元数量多，对填充因子损耗较大且不易大规模集成。Radiation Monitor Devices Inc. (RMD) 公司制备了世界上首个 SPAD 阵列，用于探测切伦科夫内反射光[6]。该阵列包含 6×14 个单元面积为 150μm2的 SPAD，每个SPAD 配备一个主动淬灭电路。大约在 1990 年左右，俄罗斯研究人员发明了一种 MRS 结构的 SiPM。该种结构
图 1-3 MRS 型 SiPM 的两种典型结构。上图来自 Antich 等人[7]，下图来自 Saveliev 和 Golovin[8]图 1-3（上）这种结构的雪崩区是连通的，存在着不可避免的电学串扰，使得其光子数分辨能力较差。图 1-3（下）是经过改进后的针状 pn 结的 MRS 结构,每个 pn结实际上就是一个 SPAD 单元，另外该结构还在光敏区上方覆盖有抗反射层。随之而来的 SiPM 结构是对 MRS 结构的改进。上世纪九十年代后期，Golovin[9]和 Sadygov[10]将 MRS 型 SiPM 纵向分割开来，也就是将多个 SPAD 并联在一起，每一个 SPAD 串联有单独的淬灭电阻。这种结构可以有效地抑制各 SPAD 之间的电耦合，网状的电极可以提高量子效率，而且其制备工艺与标准的 MOS 工艺兼容。下图为 Sadygov 提出的结构：
【参考文献】：
期刊论文
[1]CMOS自对准硅化钛工艺研究[J]. 崔伟,张正璠. 微电子学. 1999(06)
[2]硅化物/硅欧姆接触特性研究[J]. 张国炳,武国英,陈文茹,徐立,郝一龙,隋小平,王阳元. 北京大学学报(自然科学版). 1993(05)
[3]快速热退火硅中微缺陷分析[J]. 徐立,钱佩信,李志坚. 半导体学报. 1993(08)
[4]砷注入硅快速热退火缺陷的HVEM观察[J]. 李永洪,袁建明,徐立,钱佩信,李志坚. 电子显微学报. 1988(03)
本文编号：3539713
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
APD与SPAD工作原理示意图
图 1-2 第一代硅光电探测器。左边为 Haitz 的模型[2]，右边为 McIntyre 的模型[3]上世纪七十年代初，PerkinElmer 公司成功研制了世界上第一个单光子雪崩二极管[4]。这种 SPAD 通过被动淬灭的方式实现雪崩淬灭，即利用与 pn 结串联电阻的负反馈效应来淬灭雪崩过程。被动淬灭模式通常需要较长的恢复时间，导致 SPAD 的计数速率通常低于 100kHz，现在也是如此。后来人们提出了主动淬灭模式，使得雪崩建立时间、淬灭时间以及恢复时间大幅缩短，可以实现超过 1MHz 的计数速率[5]。但是主动淬灭电路单元数量多，对填充因子损耗较大且不易大规模集成。Radiation Monitor Devices Inc. (RMD) 公司制备了世界上首个 SPAD 阵列，用于探测切伦科夫内反射光[6]。该阵列包含 6×14 个单元面积为 150μm2的 SPAD，每个SPAD 配备一个主动淬灭电路。大约在 1990 年左右，俄罗斯研究人员发明了一种 MRS 结构的 SiPM。该种结构
图 1-3 MRS 型 SiPM 的两种典型结构。上图来自 Antich 等人[7]，下图来自 Saveliev 和 Golovin[8]图 1-3（上）这种结构的雪崩区是连通的，存在着不可避免的电学串扰，使得其光子数分辨能力较差。图 1-3（下）是经过改进后的针状 pn 结的 MRS 结构,每个 pn结实际上就是一个 SPAD 单元，另外该结构还在光敏区上方覆盖有抗反射层。随之而来的 SiPM 结构是对 MRS 结构的改进。上世纪九十年代后期，Golovin[9]和 Sadygov[10]将 MRS 型 SiPM 纵向分割开来，也就是将多个 SPAD 并联在一起，每一个 SPAD 串联有单独的淬灭电阻。这种结构可以有效地抑制各 SPAD 之间的电耦合，网状的电极可以提高量子效率，而且其制备工艺与标准的 MOS 工艺兼容。下图为 Sadygov 提出的结构：
【参考文献】：
期刊论文
[1]CMOS自对准硅化钛工艺研究[J]. 崔伟,张正璠. 微电子学. 1999(06)
[2]硅化物/硅欧姆接触特性研究[J]. 张国炳,武国英,陈文茹,徐立,郝一龙,隋小平,王阳元. 北京大学学报(自然科学版). 1993(05)
[3]快速热退火硅中微缺陷分析[J]. 徐立,钱佩信,李志坚. 半导体学报. 1993(08)
[4]砷注入硅快速热退火缺陷的HVEM观察[J]. 李永洪,袁建明,徐立,钱佩信,李志坚. 电子显微学报. 1988(03)
本文编号：3539713
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