基于CMOS工藝的單光子傳感器像素單元設(shè)計.pdf

1、單光子探測傳感技術(shù)在國防安全的建設(shè)發(fā)展、工業(yè)技術(shù)的推動促進以及人民生活的提高改善上都有著比較廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。到目前為止，單光子探測傳感技術(shù)主要用在共聚焦顯微鏡成像、生物序列的檢測、離子探測、量子保密通信、DNA序列結(jié)構(gòu)分析、激光雷達探測、天體物理學中的自適應(yīng)光學以及極微光成像等。單光子雪崩光電二極管正是進行單光子探測的核心結(jié)構(gòu)，因為工作在蓋革模式下的單光子雪崩光電二極管和雪崩光電二極管陣列具有探測單光子的能力，所以基于標準CM

2、OS工藝技術(shù)的單光子雪崩光電二極管的研究越來越受到國內(nèi)外光電探測領(lǐng)域的科研人員的關(guān)心和重視。
　　第一，對單光子雪崩光電二極管的量子效率、邊緣效應(yīng)和死時間等性能參數(shù)進行全面的分析和研究，并且對SPAD的三種淬滅模式（源淬滅模式、有源淬滅模式和門控淬滅模式）進行分析和比較，得出各自的優(yōu)缺點。
　　第二，提出了一種基于0.5μm CMOS工藝以p+/n-為中心有源區(qū)域的單光子雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，在提出單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)中

3、以 p-well作為擴散保護環(huán)、p-區(qū)域作為浮動保護環(huán)，浮動保護環(huán)被放置到擴散保護環(huán)的外側(cè)，利用雙保護環(huán)來避免單光子雪崩光電二極管的邊緣效應(yīng)。論文使用Silvaco公司生產(chǎn)的Silvaco Atlas5.20.2 R半導體器件仿真工具對所提出的單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)、V—I特性曲線、暗電流、電場強度的分布、光生雪崩電流、碰撞產(chǎn)生率、雪崩發(fā)生率，量子效率等參數(shù)進行全面仿真。通過仿真驗證了所設(shè)計的單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)達到了預(yù)先設(shè)定

4、的要求，能夠進行單光子的探測。為了體現(xiàn)出本文所設(shè)計的SPAD結(jié)構(gòu)的良好性能，所以把設(shè)計的SPAD結(jié)構(gòu)與其它三種SPAD結(jié)構(gòu)（帶有虛擬保護環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)、帶有擴散保護環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)和帶有浮動保護環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)）進行對比，通過理論推到和仿真驗證說明了設(shè)計的單光子雪崩光電二極管能夠更好的避免SPAD的邊緣效應(yīng)和增加保護環(huán)邊緣能夠承受的最大偏置電壓（30.51V）。
　　第三，對SPAD淬滅復(fù)位電路進行設(shè)計和優(yōu)化，同時完成了對SPA