全集成高密度單光子雪崩二極管陣列探測器研究
發(fā)布時間：2021-06-28 19:38
蓋革模式下的單光子雪崩二極管（SPAD）陣列兼具單光子信號探測和皮秒量級的時間相關性,現在已經開始應用于一些重要的科學領域,例如物理學,化學,生物學,航天學等。在與現代納米CMOS工藝相結合的設計和制造中,能夠在一整塊芯片上直接集成光子探測器、單元電路和外圍讀出電路等。在應用于高速弱光環(huán)境下的探測時,需要著力提高器件性能、減小噪聲、提高芯片集成度。本文在SMIC 0.18μm工藝下設計了一個128×128的全集成高密度單光子雪崩二極管陣列探測器。第一,設計了一種采用虛擬保護環(huán)結構和淺溝槽隔離的SPAD器件,使有源區(qū)直徑降到5μm,整個器件直徑降到11μm以下,觀察其電場分布和摻雜濃度分布,雪崩電壓,內部場強分布,證明了其適合小尺寸的設計。并且這種結構能夠避免重摻雜引起的帶帶隧穿和暗計數率,材料缺陷引起的后脈沖,能夠減少邊緣效應同時將耗盡層的位置拉低,增加雪崩區(qū)深度,提高光子的探測效率。第二,設計了一個高度集成的像素單元電路,包括能夠在3.5 ns內完成淬滅復位電路和一種超小規(guī)模的模擬計數電路,這個方案能夠很好的折中速率和占用面積的影響,在電容取到150 fF時采用對數計數可達到105數...
【文章來源】：南京郵電大學江蘇省
【文章頁數】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
CMOS-APS圖像傳感器陣列圖
(a) (b)(c) (d)圖3.3 多種SPAD保護環(huán)結構(a) 0.35 μm P-tub保護環(huán)結構；(b) 0.18 μm P阱保護環(huán)結構；(c) 第三種：0.18 μm STI/p阱保護環(huán)結構；(d)第四種：0.8 μm 虛擬保護環(huán)結構第二種是隔離的 p 阱區(qū)用作一個保護環(huán)，它們是在緊挨著的 n 阱區(qū)的地方橫向擴散形成，在這種0.18 μm CMOS工藝下，在n阱中放置擴散的 p 阱是不符合工藝規(guī)則的[33]。這里是利用深n阱把襯底和 SPAD 有源區(qū)隔離，而且它也是和MOS管一致，襯底接地后，高壓只能施加到 SPAD 陽極，所以會在陰極上產生大量的寄生電容。由于擴散保護環(huán)的存在，也會限制 SPADs 之間的距離和較小填充因子（Fill Factor，FF）。第三種是在深亞微米（DSM
(b)結構和(a)結構有些相似，但是這里將p阱的寬度縮小到STI里面而不是直接拉伸到STI上，這樣在STI和P阱之間形成一個虛擬保護環(huán)，阻止表面場強過高，而且這種結構面積也是最小的，直徑能夠達到12μm，而(a)結構的直徑需要達到20μm以上。圖3.4給出的SPAD版圖設計示意圖，采用的都是圓形外觀的中心對稱設計。共同點是這兩種結構的都使用了STI作為防止邊緣擊穿和表面場強過高的保護環(huán)，并且都是替換掉普通的n阱，利用高能離子注入深n阱。深n阱是深亞微米工藝所特有的，它可以將器件與襯底隔離開，器件內部的濃度分布隨著深度而增加，從而解決噪聲耦合問題和閂鎖效應問題。用于SPAD結構中，由于深n阱在靠近表面的位置其摻雜濃度較低，可以將耗盡區(qū)拉低到深n阱和p阱交界處。(a)(b)圖 3.4：SPAD 的兩種優(yōu)化結構和 SMIC 0.18 μm 下的版圖形狀
【參考文獻】：
期刊論文
[1]InGaAs單光子探測器傳感檢測與淬滅方式[J]. 鄭麗霞,吳金,張秀川,涂君虹,孫偉鋒,高新江. 物理學報. 2014(10)
[2]基于CMOS工藝的單光子雪崩二極管的蓋革模式仿真[J]. 王成,孟麗婭,王慶祥,閆旭亮. 半導體技術. 2014(04)
[3]一種硅基雪崩光電探測器的研究[J]. 徐佳,楊虹. 數字技術與應用. 2014(01)
[4]1kbit鐵電存儲器電路設計技術研究[J]. 張德凱,徐建龍,任天令. 半導體技術. 2012(11)
[5]格雷碼在焦平面CMOS讀出電路中的應用[J]. 祝曉笑,劉昌舉,蔣永富. 半導體光電. 2009(04)
[6]8通道10b的R-C混合式SAR ADC的設計[J]. 裴曉敏. 現代電子技術. 2008(09)
[7]G-APD陣列——一種具有單光子靈敏度的三維成像探測器[J]. 龔威. 激光技術. 2007(05)
[8]通訊波段單光子探測器的研制[J]. 劉云,韓正甫,吳青林,戴逸民,郭光燦. 量子光學學報. 2007(01)
[9]硅雪崩光電二極管單光子探測器[J]. 梁創(chuàng),aphy.iphy.ac.cn,廖靜,梁冰,吳令安. 光子學報. 2000(12)
博士論文
[1]基于InGaAs/InP單光子雪崩二極管的紅外單光子探測研究[D]. 周鵬.哈爾濱工業(yè)大學 2010
碩士論文
[1]低功耗模數轉換器的研究與設計[D]. 李現坤.南京郵電大學 2014
[2]面向三維成像的單光子雪崩二極管及像素電路的研究[D]. 周曉亞.湘潭大學 2013
[3]一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設計[D]. 趙菲菲.南京郵電大學 2013
[4]1.8V低功耗8KS/S12位R-C逐次逼近ADC的設計[D]. 孫婧瑤.哈爾濱工業(yè)大學 2011
[5]一種高優(yōu)值CMOS圖像傳感器讀出電路的設計[D]. 劉曉磊.華中科技大學 2011
[6]一種高精度逐次逼近模數轉換器的研究與設計[D]. 喬高帥.上海交通大學 2010
[7]320×256紅外焦平面讀出電路研究[D]. 陳彥宇.電子科技大學 2008
本文編號：3254927
【文章來源】：南京郵電大學江蘇省
【文章頁數】：77 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
CMOS-APS圖像傳感器陣列圖
(a) (b)(c) (d)圖3.3 多種SPAD保護環(huán)結構(a) 0.35 μm P-tub保護環(huán)結構；(b) 0.18 μm P阱保護環(huán)結構；(c) 第三種：0.18 μm STI/p阱保護環(huán)結構；(d)第四種：0.8 μm 虛擬保護環(huán)結構第二種是隔離的 p 阱區(qū)用作一個保護環(huán)，它們是在緊挨著的 n 阱區(qū)的地方橫向擴散形成，在這種0.18 μm CMOS工藝下，在n阱中放置擴散的 p 阱是不符合工藝規(guī)則的[33]。這里是利用深n阱把襯底和 SPAD 有源區(qū)隔離，而且它也是和MOS管一致，襯底接地后，高壓只能施加到 SPAD 陽極，所以會在陰極上產生大量的寄生電容。由于擴散保護環(huán)的存在，也會限制 SPADs 之間的距離和較小填充因子（Fill Factor，FF）。第三種是在深亞微米（DSM
(b)結構和(a)結構有些相似，但是這里將p阱的寬度縮小到STI里面而不是直接拉伸到STI上，這樣在STI和P阱之間形成一個虛擬保護環(huán)，阻止表面場強過高，而且這種結構面積也是最小的，直徑能夠達到12μm，而(a)結構的直徑需要達到20μm以上。圖3.4給出的SPAD版圖設計示意圖，采用的都是圓形外觀的中心對稱設計。共同點是這兩種結構的都使用了STI作為防止邊緣擊穿和表面場強過高的保護環(huán)，并且都是替換掉普通的n阱，利用高能離子注入深n阱。深n阱是深亞微米工藝所特有的，它可以將器件與襯底隔離開，器件內部的濃度分布隨著深度而增加，從而解決噪聲耦合問題和閂鎖效應問題。用于SPAD結構中，由于深n阱在靠近表面的位置其摻雜濃度較低，可以將耗盡區(qū)拉低到深n阱和p阱交界處。(a)(b)圖 3.4：SPAD 的兩種優(yōu)化結構和 SMIC 0.18 μm 下的版圖形狀
【參考文獻】：
期刊論文
[1]InGaAs單光子探測器傳感檢測與淬滅方式[J]. 鄭麗霞,吳金,張秀川,涂君虹,孫偉鋒,高新江. 物理學報. 2014(10)
[2]基于CMOS工藝的單光子雪崩二極管的蓋革模式仿真[J]. 王成,孟麗婭,王慶祥,閆旭亮. 半導體技術. 2014(04)
[3]一種硅基雪崩光電探測器的研究[J]. 徐佳,楊虹. 數字技術與應用. 2014(01)
[4]1kbit鐵電存儲器電路設計技術研究[J]. 張德凱,徐建龍,任天令. 半導體技術. 2012(11)
[5]格雷碼在焦平面CMOS讀出電路中的應用[J]. 祝曉笑,劉昌舉,蔣永富. 半導體光電. 2009(04)
[6]8通道10b的R-C混合式SAR ADC的設計[J]. 裴曉敏. 現代電子技術. 2008(09)
[7]G-APD陣列——一種具有單光子靈敏度的三維成像探測器[J]. 龔威. 激光技術. 2007(05)
[8]通訊波段單光子探測器的研制[J]. 劉云,韓正甫,吳青林,戴逸民,郭光燦. 量子光學學報. 2007(01)
[9]硅雪崩光電二極管單光子探測器[J]. 梁創(chuàng),aphy.iphy.ac.cn,廖靜,梁冰,吳令安. 光子學報. 2000(12)
博士論文
[1]基于InGaAs/InP單光子雪崩二極管的紅外單光子探測研究[D]. 周鵬.哈爾濱工業(yè)大學 2010
碩士論文
[1]低功耗模數轉換器的研究與設計[D]. 李現坤.南京郵電大學 2014
[2]面向三維成像的單光子雪崩二極管及像素電路的研究[D]. 周曉亞.湘潭大學 2013
[3]一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設計[D]. 趙菲菲.南京郵電大學 2013
[4]1.8V低功耗8KS/S12位R-C逐次逼近ADC的設計[D]. 孫婧瑤.哈爾濱工業(yè)大學 2011
[5]一種高優(yōu)值CMOS圖像傳感器讀出電路的設計[D]. 劉曉磊.華中科技大學 2011
[6]一種高精度逐次逼近模數轉換器的研究與設計[D]. 喬高帥.上海交通大學 2010
[7]320×256紅外焦平面讀出電路研究[D]. 陳彥宇.電子科技大學 2008
本文編號：3254927
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