基于CMOS工藝的單光子傳感器像素單元設(shè)計(jì).pdf

1、單光子探測(cè)傳感技術(shù)在國(guó)防安全的建設(shè)發(fā)展、工業(yè)技術(shù)的推動(dòng)促進(jìn)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Α５侥壳盀橹?，單光子探測(cè)傳感技術(shù)主要用在共聚焦顯微鏡成像、生物序列的檢測(cè)、離子探測(cè)、量子保密通信、DNA序列結(jié)構(gòu)分析、激光雷達(dá)探測(cè)、天體物理學(xué)中的自適應(yīng)光學(xué)以及極微光成像等。單光子雪崩光電二極管正是進(jìn)行單光子探測(cè)的核心結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣ぷ髟谏w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(cè)單光子的能力，所以基于標(biāo)準(zhǔn)CM

2、OS工藝技術(shù)的單光子雪崩光電二極管的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外光電探測(cè)領(lǐng)域的科研人員的關(guān)心和重視。
　　第一，對(duì)單光子雪崩光電二極管的量子效率、邊緣效應(yīng)和死時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行全面的分析和研究，并且對(duì)SPAD的三種淬滅模式（源淬滅模式、有源淬滅模式和門(mén)控淬滅模式）進(jìn)行分析和比較，得出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　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(kuò)散保護(hù)環(huán)、p-區(qū)域作為浮動(dòng)保護(hù)環(huán)，浮動(dòng)保護(hù)環(huán)被放置到擴(kuò)散保護(hù)環(huán)的外側(cè)，利用雙保護(hù)環(huán)來(lái)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(dǎo)體器件仿真工具對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(jìn)行全面仿真。通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的單光子雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)先設(shè)定

4、的要求，能夠進(jìn)行單光子的探測(cè)。為了體現(xiàn)出本文所設(shè)計(jì)的SPAD結(jié)構(gòu)的良好性能，所以把設(shè)計(jì)的SPAD結(jié)構(gòu)與其它三種SPAD結(jié)構(gòu)（帶有虛擬保護(hù)環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)、帶有擴(kuò)散保護(hù)環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)和帶有浮動(dòng)保護(hù)環(huán)的SPAD結(jié)構(gòu)）進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)理論推到和仿真驗(yàn)證說(shuō)明了設(shè)計(jì)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(hù)環(huán)邊緣能夠承受的最大偏置電壓（30.51V）。
　　第三，對(duì)SPAD淬滅復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)完成了對(duì)SPA