基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管机理、模型及器件优化研究
发布时间：2021-08-01 04:24
单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode,SPAD）是盖革模式的雪崩光电二极管,是一种能够探测极微弱光信号的探测器,具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高等优点,在光场探测、光子学、激光测距等领域得到了广泛的应用和关注。基于CMOS工艺的SPAD器件可以实现与读出及信号处理电路单片集成,在许多单光子探测应用中获得了极大的兴趣,特别是高性能SPAD阵列探测器在高能物理探测、医学成像、量子通信等弱光探测领域。本文基于0.18-μm CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor,CIS）工艺,从器件的物理机制和理论出发,研究了 SPAD的原理,建立了 SPAD的物理模型和电路模型,设计了具有探测效率高、工作速度快、噪声小等特点的SPAD。具体开展了如下工作:（1）建立SPAD的数值模型。通过考虑光子在耗尽区和中性区中的吸收以及注入式和分布式载流子的雪崩击穿概率,提出了 SPAD的单光子探测概率（Single Photon Detection Probability,SPDP）模型,并使用Matlab对模型进行了仿真。该模型从理论上分析...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１雪崩倍增效应示意图??
硅是间接带隙半导体，当光子能量等于禁带宽度时产生本征吸收。：Ｔ＝３０〇Ｋ时，硅的禁??带宽度为１．１２?ｅＶ，存在一个截止波长；ｌｃ＝１．２４／￡ｇ，约等于１．１?ｐｍ。也就是说硅的光谱吸收极??限是１．１?ｐｎｉ，只有波长小于该极限的光才能被硅吸收，其吸收系数与波长的关系如图２．５所??７Ｊｓ?〇??１〇?Ｃ＊?Ｃ?Ｚ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?ｌ?＊??｜：ｊ?＼?：??Ｉ?丨??＼?：??ｆｉｏ１?ｒ?＼?１??Ｓ?：?＼??＜?〇?■?Ｉ??１〇?丨?ｊ??１０］?Ｌ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?Ｃ?：??０．２?０．４?０．６?０．８?１?１．２?１．４?１．６?１．８??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（［ｉｍ）??图２．５硅材料中光吸收系数与波长的关系??根据己有的实验数据显示，紫外波长的光子吸收非常接近硅层表面，波长３５０ｎｍ以下的??光子在娃层１００?ｎｍ以内被全部吸收；波长为４００?ｎｍ的光子在硅层１００?ｎｍ以内被吸收百分之??七十；而在红外线区域，波长为８００?ｎｍ的光子在ｌｐｍ范围内被吸收百分之十，波长为１０００??ｎｍ的光子在１０?ｐｍ范围内的吸收甚至低于百分之十［１６］。??２．４．２?ＰＮ?结??１）电场分布??ＰＮ结的结构示意图及能带分布如图２．６所示。由图２．６可知，ＰＮ结的内建电势满足??＾?＾ｂｉ?＝?－＾Ｆｎ?—?－＾＂Ｆｐ?（２．４）??其中，Ｆｂｉ表示ＰＮ结的内建电势，五Ｆｎ表示Ｎ型半导体的费米能级，￡Ｆｐ表示Ｐ型半导体的费??米能级。ｎｎ〇、》Ｐｏ分别表示Ｎ区和Ｐ区的平衡电子浓度，于是有??（Ｋ?—Ｅ?＼??？？〇?＝（２－５）??Ｖ?
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【参考文献】：
期刊论文
[1]基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管[J]. 吴佳骏,谢生,毛陆虹,朱帅宇. 光子学报. 2018(01)
[2]一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析（英文）[J]. 杨佳,金湘亮,杨红姣,汤丽珍,刘维辉. 红外与毫米波学报. 2016(04)
[3]盖革模式雪崩光电二极管光子计数探测原理研究[J]. 王弟男,陈长青,王挺峰. 激光与光电子学进展. 2012(12)
[4]单光子雪崩二极管雪崩建立与淬灭的改进模型[J]. 周晓亚,赵永嘉,金湘亮. 固体电子学研究与进展. 2012(05)
[5]基于不同作用体制下的非扫描激光成像雷达探测技术[J]. 陈慧敏,栗苹,李昆,孙建强,郭渭荣. 红外与激光工程. 2007(S1)
[6]APD单光子探测技术[J]. 张鹏飞,周金运,廖常俊,刘颂豪. 光电子技术与信息. 2003(06)
[7]单光子探测器及其发展[J]. 张鹏飞,周金运. 传感器世界. 2003(10)
[8]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]飞行时间法无扫描三维成像摄像机的机理和特性研究[D]. 潘华东.浙江大学 2010
硕士论文
[1]单光子雪崩二极管建模及基于荧光寿命成像的像素单元设计[D]. 谢小朋.南京邮电大学 2016
[2]时间数字转换器的设计与应用研究[D]. 汤丽珍.湘潭大学 2016
[3]SPAD相位解调测距技术的研究[D]. 杨佳.湘潭大学 2016
[4]基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计[D]. 刘维辉.湘潭大学 2016
[5]高性能紫外探测器新结构及其CMOS读出电路研究[D]. 赵永嘉.湘潭大学 2013
[6]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
[7]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
本文编号：3314809
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２．１雪崩倍增效应示意图??
硅是间接带隙半导体，当光子能量等于禁带宽度时产生本征吸收。：Ｔ＝３０〇Ｋ时，硅的禁??带宽度为１．１２?ｅＶ，存在一个截止波长；ｌｃ＝１．２４／￡ｇ，约等于１．１?ｐｍ。也就是说硅的光谱吸收极??限是１．１?ｐｎｉ，只有波长小于该极限的光才能被硅吸收，其吸收系数与波长的关系如图２．５所??７Ｊｓ?〇??１〇?Ｃ＊?Ｃ?Ｚ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?ｌ?＊??｜：ｊ?＼?：??Ｉ?丨??＼?：??ｆｉｏ１?ｒ?＼?１??Ｓ?：?＼??＜?〇?■?Ｉ??１〇?丨?ｊ??１０］?Ｌ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?Ｃ?：??０．２?０．４?０．６?０．８?１?１．２?１．４?１．６?１．８??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（［ｉｍ）??图２．５硅材料中光吸收系数与波长的关系??根据己有的实验数据显示，紫外波长的光子吸收非常接近硅层表面，波长３５０ｎｍ以下的??光子在娃层１００?ｎｍ以内被全部吸收；波长为４００?ｎｍ的光子在硅层１００?ｎｍ以内被吸收百分之??七十；而在红外线区域，波长为８００?ｎｍ的光子在ｌｐｍ范围内被吸收百分之十，波长为１０００??ｎｍ的光子在１０?ｐｍ范围内的吸收甚至低于百分之十［１６］。??２．４．２?ＰＮ?结??１）电场分布??ＰＮ结的结构示意图及能带分布如图２．６所示。由图２．６可知，ＰＮ结的内建电势满足??＾?＾ｂｉ?＝?－＾Ｆｎ?—?－＾＂Ｆｐ?（２．４）??其中，Ｆｂｉ表示ＰＮ结的内建电势，五Ｆｎ表示Ｎ型半导体的费米能级，￡Ｆｐ表示Ｐ型半导体的费??米能级。ｎｎ〇、》Ｐｏ分别表示Ｎ区和Ｐ区的平衡电子浓度，于是有??（Ｋ?—Ｅ?＼??？？〇?＝（２－５）??Ｖ?
ｉ?＋?＋?＋?＋?＋?＋ｉ??ｊ?＋＋＋?＋＋＋丨??Ｉ?＋＋＋＋＋＋丨??Ｉ?＋＋＋?＋＋＋丨??ｐ＋?ｉ?＋＋＋?＋?＋?＋?ｉ?ｎ??－Ｘｖ?〇?ｘｎ??（ａ）??Ｅｃ???个－???，?＼?外???ｘＶ＿Ｌ??￡ｆ??￡ｃＰ????￡ｃｎ??，＇■?—??Ｅｒａ??Ｅｉ?ｑＶｂｉ??Ｅ＞??Ｅｆｐ???．．２?（＿??Ｅ＇．ｐ??－?Ｅｖｎ??（ｂ）??图２．６?（ａ）ＰＮ结的结构示意图（ｂ）能带分布??式（２．５）与式（２．６）相除并取对数得??心＝化＾?（２．７）??ｎｐ〇?ｋＴ??由于《？０＊乂，《ｐ０？〇Ａ，于是??。斗吟?（２，）??其中，乂表示Ｎ区施主浓度，仏表示Ｐ区受主浓度，与温度有关，可以表示为??（?＼??ｎＸＴ）－ＡＴ＾＾?（２．９）??２—??Ｅ?（Ｔ）＝＼Ａ１?（２．１０）??ｇＷ?ｒ?＋?６３６??其中，乂＝１．３ｘｌ０１６（ｃｍ＿３ＩＣ３／２），于是可以得到内建电势Ｆｂｉ与温度有关。??１５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管[J]. 吴佳骏,谢生,毛陆虹,朱帅宇. 光子学报. 2018(01)
[2]一种新型低暗计数率单光子雪崩二极管的设计与分析（英文）[J]. 杨佳,金湘亮,杨红姣,汤丽珍,刘维辉. 红外与毫米波学报. 2016(04)
[3]盖革模式雪崩光电二极管光子计数探测原理研究[J]. 王弟男,陈长青,王挺峰. 激光与光电子学进展. 2012(12)
[4]单光子雪崩二极管雪崩建立与淬灭的改进模型[J]. 周晓亚,赵永嘉,金湘亮. 固体电子学研究与进展. 2012(05)
[5]基于不同作用体制下的非扫描激光成像雷达探测技术[J]. 陈慧敏,栗苹,李昆,孙建强,郭渭荣. 红外与激光工程. 2007(S1)
[6]APD单光子探测技术[J]. 张鹏飞,周金运,廖常俊,刘颂豪. 光电子技术与信息. 2003(06)
[7]单光子探测器及其发展[J]. 张鹏飞,周金运. 传感器世界. 2003(10)
[8]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]飞行时间法无扫描三维成像摄像机的机理和特性研究[D]. 潘华东.浙江大学 2010
硕士论文
[1]单光子雪崩二极管建模及基于荧光寿命成像的像素单元设计[D]. 谢小朋.南京邮电大学 2016
[2]时间数字转换器的设计与应用研究[D]. 汤丽珍.湘潭大学 2016
[3]SPAD相位解调测距技术的研究[D]. 杨佳.湘潭大学 2016
[4]基于PPD结构的TOF测距图像传感器设计[D]. 刘维辉.湘潭大学 2016
[5]高性能紫外探测器新结构及其CMOS读出电路研究[D]. 赵永嘉.湘潭大学 2013
[6]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
[7]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
本文编号：3314809
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