發(fā)布時間：2020-10-18 14:57

　　 光電檢測是光通信、光存儲、光探測的核心技術。隨著通信技術的發(fā)展,人們逐漸追求能夠探測到光子級別的微弱光的探測器,單光子檢測技術因此應運而生,并在國防安全,社會經濟和工業(yè)生產等領域占據重要地位,成為了國內外科研工作者的研究熱點。在眾多單光子探測器中,使用雪崩光電二極管制作的單光子雪崩探測器因其內部增益大,噪聲低、靈敏度高,能夠與現有CMOS工藝兼容、集成度高的優(yōu)點,成為了單光子檢測中的主流。本文基于SOI CMOS工藝設計一種橫向結構多電荷層的SACM APD(Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photo Detector)器件,采用吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的SACM結構,因此吸收區(qū)中的光生載流子只有電子能到達倍增區(qū)發(fā)生碰撞電離,實現了單種載流子雪崩,降低雪崩噪聲。并在吸收區(qū)和倍增區(qū)之間加入階梯摻雜電荷層,從而改善了吸收區(qū)與倍增區(qū)的電場,加大載流子的漂移速度,提高頻率響應,有效解決雪崩電壓與頻率響應之間的矛盾。橫向結構可以忽略曲率效應,并能有效解決響應度與頻率響應之間的矛盾。首先,采用Silvaco ATLAS仿真器對器件的I-V特性和頻率響應進行模擬仿真。得出器件的雪崩電壓為8.2V,在波長為400nm,光強為0.001 W/cm2時,當反向偏壓為8.2V時,器件的響應度可達160.4A/W,在9.5V反向偏壓下,器件的截止頻率可達10GHz。其次,采用Silvaco ATHENA仿真器對設計的器件進行工藝仿真,得出了合理有效的工藝步驟,并使用ATLAS仿真器對工藝實現后的器件的I-V特性進行仿真,得到的器件雪崩電壓與軟件建模的雪崩電壓存在1V的偏差。最后,設計了一種有源淬火電路和讀數電路并完成了版圖設計,電路的死時間為7ns,最大光子計數率約為150Mcps。
【學位單位】：長沙理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN312.7
【部分圖文】：

ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）三種。??光電倍增管是最早用于單光子檢測的的器件［３］，其工作原理基于光電效應和二級電??子發(fā)射具體如圖１．１所示：??ｈｖ?光電陰極?倍增級?４電陽極??—Ｗ??倍職?倍增級??圖１．１?ＰＭＴ簡單工作原理??ＰＭＴ主要由光電陰極、倍增級和光電陽極組成。光子入射到光電陰極上，由于光??電效應，光電陰極產生光生電子，光生電子在倍増級之間的電場作用下加速，射向倍增??級，并在倍増級出產生二次發(fā)射電子，在經過多級倍增級后，將會產生大量二次發(fā)射電??１??

圖２．３不同ｋ值下倍増噪聲與增益的關系??從圖中可以看出單一載流子雪崩型的ＡＰＤ具有更小的倍增噪聲

＇?ｅｘｐ［－＾＊ｊｃ］?（２．１９）??圖２．４為局域模型和非局域模型的電子碰撞電離率隨載流子的分布圖。從圖中可以??看出，在局域模型中，電子在ｘ＝０時即碰撞電離。而在非局域模型中，電子在后才??開始碰撞電離，因為電子已經經過Ａ距離的加速，所以此時的碰撞電離率要大于局域模??型的碰撞電離率。??－?；＼?一■一?Ｎｏｎ－ｌｏｃａｌ??０?ｘ??圖２．４局域模型和非局域模型的空穴碰撞電離率與載流子的位置關系??２．４?ＳＰＡＤ的性能參數??ＳＰＡＤ有兩種工作方式：線性模式和蓋革模式。線性模式中光電流與入射光的功??率成正比。而蓋革模式中輸出的光電流與入射光功率無關，因此只能探測是否有光??子到來。ＳＰＡＤ的性能參數主要有：響應度、帶寬、光子探測效率、暗計數率和死時??１３??
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本文編號：2846448