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硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器

光学学报 2023年第20期43卷 20-29页

作者：王帅康刘丹璐陈前宇韩冬王嘉源徐跃曹平南京邮电大学集成电路科学与工程学院江苏南京210023 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室江苏南京210023 核探测与核电子学国家重点实验室安徽合肥244199

基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间(dTOF)探测器。集成的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构,显著提高了对近红外光子的探测概率;采用低... 详细信息

基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间(dTOF)探测器。集成的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构,显著提高了对近红外光子的探测概率;采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环,有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器(TDC),获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明,SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率(PDP)峰值达到45%,在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%,暗计数率(DCR)小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围,差分非线性度(DNL)和积分非线性度(INL)均小于±1 LSB(1 LSB=130 ps)。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点,可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。

关键词：探测器直接飞行时间单光子雪崩二极管光子探测概率暗计数率时间数字转换器

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基于BCD工艺的低噪声SPAD探测器研究

基于BCD工艺的低噪声SPAD探测器研究

作者：董杰南京邮电大学

学位级别：硕士

单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)具有皮秒时间响应和高增益的特点,已经广泛应用于激光雷达(LiDAR)、三维成像和荧光寿命成像等领域。近年来,硅基SPAD探测器正朝着低成本和高集成度的方向发展,但仍存在着在近红外... 详细信息

单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)具有皮秒时间响应和高增益的特点,已经广泛应用于激光雷达(LiDAR)、三维成像和荧光寿命成像等领域。近年来,硅基SPAD探测器正朝着低成本和高集成度的方向发展,但仍存在着在近红外波段人眼安全阈值低,暗计数噪声高,动态范围小,背景光抑制能力差等问题。因此本文针对以上问题进行研究并提出如下解决方案:(1)SPAD器件性能建模与仿真研究。基于P阱(PW)/深N阱(DNW)结构的SPAD器件研究了不同区域的光生载流子产生率和雪崩触发几率,分析了器件光子探测概率(Photon Detection Probability,PDP)与暗计数率(Dark Count Rate,DCR)的产生机制,采用Matlab对PDP与DCR进行行为级建模。利用模型对PW/DNW结构的性能指标进行计算,并与测试结果进行对比。结果表明,PDP与DCR模型能够达到99%的精度。(2)硅基高灵敏度的近红外SPAD器件研究与设计。基于180 nm Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺设计了一种高压P阱/N+埋层结构的SPAD器件,该器件利用高压P阱与N+埋层形成深结的雪崩区,提高了对近红外波段光子的探测概率,利用外延层作为器件的虚拟保护环,不但防止了边缘提前击穿,而且大幅降低了器件的暗计数噪声。测试结果表明:在5 V过偏压下,器件在600 nm处的PDP达到41%,在近红外850 nm波长处的PDP高达12%,可以工作在近红外波段,提高了人眼安全阈值。在室温下,5 V过偏压时器件的DCR仅为200Hz,解决了传统SPAD器件暗计数率高,近红外波段光子探测概率低的问题。(3)具有背景光噪声抑制的时间数模混合转换的单光子探测器电路研究与设计。采用时间幅度转换(Time-to-Amplitude Converter,TAC)与数字计数器相结合的光子飞行时间(Time of Flight,TOF)像素单元,有效地解决了动态范围与时间分辨率相互制约的问题,能够同时获得大动态范围和高分辨率。采用内置的光子事件检测电路,通过设置阈值大小可在不同背景光强度下甄别出回波光子信号,显著地提高了电路的抗干扰能力。后仿真结果表明:所设计的TOF像素单元实现96 m的动态范围,时间分辨率达到39 ps。在10 ns的满量程范围内精计时的DNL与INL分别小于0.15 LSB和1 LSB,可以工作在70 klux强背景光环境中。

关键词：单光子雪崩二极管光子探测概率暗计数率填充因子时间幅度转换

高性能单光子雪崩二极管在180 nm CMOS工艺中的设计与实现（英文）

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红外与毫米波学报 2018年第1期37卷 30-34,128页

作者：金湘亮曹灿杨红姣湘潭大学物理与光电工程学院湖南湘潭411105 湖南省微光电与系统集成实验室湖南湘潭411105

为了实现大阵列电路集成,文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8μm的单光子雪崩二极... 详细信息

为了实现大阵列电路集成,文中设计和实现了一种能与主动淬火电路集成的宽光谱范围和快速的单光子雪崩二极管(SPAD)芯片.一个精确的单光子雪崩二极管电路模型模拟了其在盖革模式下的静态和动态行为.该有源区直径为8μm的单光子雪崩二极管器件是基于上海宏利GSMC 180 nm CMOS图像传感器(CIS)技术实现的.由于采用有效的器件结构,其击穿电压是15.2 V,淬灭时间是7.9 ns.此外,该器件实现了宽的光谱灵敏度,其在低过电压下的光子探测概率(PDP)从470 nm到680 nm光波长段最高可达15.7%.并且它在室温下的暗计数率相当低.

关键词：单光子雪崩二极管光子探测概率模型盖革模式 CMOS图像传感器技术

STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管（英文）

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红外与毫米波学报 2019年第2期38卷 149-153页

作者：金湘亮彭亚男曾朵朵杨红姣蒲华燕彭艳罗均湘潭大学物理与光电工程学院湖南湘潭411105 湖南师范大学物理与电子科学学院湖南长沙410081 上海大学机电工程与自动化学院上海200444

研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isol... 详细信息

研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation(STI)共同形成的保护环组成.通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小.结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1μm时,SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外,直径为10μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208 Hz,且在波长为510 nm时峰值光子探测概率为20. 8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性.

关键词：单光子雪崩二极管边缘击穿暗计数率互补金属氧化物半导体光子探测概率

低过偏压下高增益单光子雪崩二极管的设计与验证

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光学学报 2023年第23期43卷 147-154页

作者：易荣清汪洋曹智祥金湘亮湖南师范大学物理与电子科学学院湖南长沙410081

单光子雪崩二极管(SPAD)可以检测到异常微弱的光信号,可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺,设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率(PDP)... 详细信息

单光子雪崩二极管(SPAD)可以检测到异常微弱的光信号,可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺,设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率(PDP)的SPAD器件。该器件在440~740 nm范围内具有良好的光谱响应。采用半径为10μm的N+/P阱形成PN结作为感光区域,由N阱形成一个能有效防止边缘击穿的保护环。应用计算机技术辅助设计(TCAD)软件对SPAD的基本工作原理进行了定性分析,并通过建立的测试平台获得了设备的实际电气参数。测试结果表明,在1 V的过量偏置电压下,在480~660 nm的波长范围内,该器件可达到30%以上的PDP。在560 nm时,PDP峰值为42.7%,暗计数率为11.5 Hz/μm^(2)。最后通过设计VerilogA混合模型验证了器件的模拟结果和实测结果之间具有良好一致性。

关键词：单光子雪崩二极管光子探测概率暗计数率光谱响应 VerilogA模型

双波峰响应CMOS单光子探测器的设计与优化

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光学学报 2021年第17期41卷 18-23页

作者：张维宇汪洋金湘亮湖南师范大学物理与电子科学学院湖南长沙410081

随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这... 详细信息

随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这一问题,设计了一种分别在可见光区和红外光区响应的双波峰SPAD。为确保该器件能实现预期的功能,首先利用半导体工艺器件仿真软件(TCAD)来验证该器件的合理性,再通过搭建外部淬灭电路来测试SPAD的各项性能参数。测试结果显示,该器件的雪崩击穿电压为12.75 V。在22℃的室温条件下(过偏压为0.5 V),SPAD的光子探测概率在520 nm处达到32%,在840 nm处达到12%。此外,当过偏压为1 V时,其暗计数率(DCR)为1 kHz。因此,该SPAD能够实现对可见光及近红外光的双波峰探测,并且将DCR控制在一个较低的范围内。

关键词：单光子雪崩光电二极管极弱光探测雪崩击穿电压光子探测概率暗计数率

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光纤耦合对量子密钥分配系统光子探测的影响

光学学报 2007年第8期27卷 1401-1404页

作者：陈彦邓科胡渝电子科技大学物理电子学院成都610054

借助量子密码术和卫星可以实现全球性的保密通信网络。但使用现有的单光子探测模块搭建星地量子密钥分配(QKD)系统,接收端就面临着空间光-多模光纤耦合的技术挑战。空间光-多模光纤耦合条件对星地量子密钥分配系统的跟瞄精度提出了严格... 详细信息

借助量子密码术和卫星可以实现全球性的保密通信网络。但使用现有的单光子探测模块搭建星地量子密钥分配(QKD)系统,接收端就面临着空间光-多模光纤耦合的技术挑战。空间光-多模光纤耦合条件对星地量子密钥分配系统的跟瞄精度提出了严格要求。理论分析和定量计算表明,跟瞄精度ε与光束发散角θdiv的比值ε/dθiv≤0.5时,星地量子密钥分配系统的光子探测概率较高,系统可以正常工作;ε/dθiv≤0.1时,系统处于量子密钥产生速率为几kb/s的更理想状况。采用短波长更有利于满足空间光-多模光纤耦合条件,同时有利于系统获得更高的密钥产生速率。

关键词：无线光通信技术光子探测概率星地量子密钥分配空间光-多模光纤耦合