基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管研究

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1、基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管研究ResearchonsinglephotonavalanchediodebasedonCMOSTechnology学科专业：微电子学与固体电子学研究生：吴佳骏指导老师：谢生副教授天津大学微电子学院二零一七年十月摘要单光子探测技术在国防军事、科学研究及民用生活等领域具有广泛的应用前景，例如量子通信中的密钥分配、天文学中的激光测距以及医学中的荧光寿命成像等。在这些新兴应用中，可获得的信号强度仅为几个光子能量级，甚至低于环境噪声，因此对作为核心部件的单光子探测器提出了很高的要求。其中，单光子雪崩二极管（SPAD）作为一

2、种单光子探测器，具有高灵敏度、低功耗、高探测效率等优点而备受关注。通过与现代CMOS工艺相结合，可以实现SPAD单光子探测器及其外围电路的单片集成，在提高性能的同时减小噪声，获得更高的集成度。然而，随着CMOS工艺向深亚微米方向发展，器件尺寸更小，掺杂浓度更高，热预算更严格，这些因素都对SPAD结构设计和性能优化提出了挑战，现有的结构也显示出了一些弊端。为了解决这一问题，本文在分析现有结构的基础上，对影响SPAD性能的主要因素进行了详细地研究，并基于UMC0.18μmCMOS工艺设计出了一种全新的SPAD结构。论文主要工作如下：1.基于单光子雪崩二极

3、管的工作机制，对比分析了目前经典保护环结构的性能，同时结合UMC0.18μmCMOS工艺，设计了两种使用经典保护环的SPAD结构。使用器件仿真工具Atlas对其进行了电学性能的仿真，如击穿电压、电场强度、量子效率、碰撞产生率等。通过对比与分析，指出现有保护环结构的不足以及CMOS工艺下制作SPAD的难点。2.在上述工作的基础上设计了全新保护环结构的SPAD，该器件使用非接触式保护环，在有效解决了边缘过早击穿问题的同时，改善了器件边缘的电场分布，增大了实际的感光面积。结果表明，该器件具有较低的击穿电压，在400nm~700nm之间具有良好的光学响应，在

4、过偏压为2.5V时，峰值探测效率可达到39%。3.研究了基于CMOS工艺的SPAD淬灭电路。建立了SPAD的电学模型，并结合该模型对单管被动淬灭-被动恢复电路、主动淬灭-主动恢复电路、被动淬灭-主动恢复电路进行了仿真和分析。结合所设计SPAD的特点，最终选取了被动淬灭-主动恢复电路作为其外围淬灭电路。所设计电路结构具有感光面积大、晶体管数目少、电路紧凑等特点，有利于提高芯片的利用率和阵列的集成度。关键词：光电器件，单光子雪崩二极管，CMOS工艺，保护环IABSTRACTSinglephotondetectionhaswideapplicationpr

5、ospectinmilitary,scientificresearchandcivillifefield,suchaskeydistributioninquantumcommunication,laserranginginastronomy,andfluorescencelifetimeimaginginmedicine.Intheseemergingapplications,thesignal’senergyisonlyseveralphotonlevel,evenlowerthanthebackgroundnoise.Sorigorousdema

6、ndswerebeingplacedonsinglephotondetectorswhichactacorecomponentinthesinglephotondetectionsystem.Amongtheavailablephotondetectors,singlephotonavalanchediode(SPAD)hasattractedmuchattentionforitshighsensitvity,lowpowerconsumptionandhighdetectionefficiency.UsingmodernCMOStechnology

7、,SPADanditsperipheralcircuitscanbeintegratedononechip,thusimprovingthesystemperformance,reducingthenoise,andachievinghigherintegrationlevel.WiththedevelopmentoftheCMOStechnologyinthedirectionofdeepsubmicron,thedevicehassmallersize,higherdopingconcentration,andlessannealingtime.

8、ThesefactorsgiveachallengetoSPADstructuraldesignandper