1 湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105
2 湖南师范大学 物理与电子科学学院，湖南 长沙 410081
3 上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200444
介绍了一种0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的新型宽光谱荧光相关谱探测器,其为高边缘击穿、扩展光谱和低暗计数率的圆形单光子雪崩二极管(SPAD).该器件由p+/deep n-well结，p-well保护环和多晶硅保护环组成.通过Silvaco TCAD 3D器件仿真，直径为10 μm的圆形p+/deep n-well SPAD器件具有较高边缘击穿特性.此外，p+/deep n-well结SPAD比p+/n-well结SPAD具有更长的波长响应和扩展光谱响应范围.该器件在0.5 V过量偏压下，可在490~775 nm波长范围内实现超过40％的光子探测率.该圆形p+/deep n-well SPAD器件在25℃时具有较好雪崩击穿为15.14 V，具有较低暗计数率为638 Hz.
单光子雪崩二极管(SPAD) 边缘击穿 暗计数率 光谱扩展 single-photon avalanche diode(SPAD) premature edge breakdown (PEB) dark count rate(DCR) spectral expansion 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04403
1 湘潭大学 物理与光电工程学院, 湖南 湘潭 411105
2 湖南师范大学 物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410081
3 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0.18 μm 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1 μm 时, SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外, 直径为10 μm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.
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 single-photon avalanche diode (SPAD) premature edge breakdown (PEB) dark count rate (DCR) complementary metal oxide semiconductor (CMOS) photon detection probability (PDP) 红外与毫米波学报
2019, 38(2): 02149
1 湘潭大学 物理与光电工程学院, 湖南 湘潭 411105
2 湖南省微光电与系统集成实验室, 湖南 湘潭 411105
为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸, 基于0.18 μm CMOS 图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well)SPAD的保护环尺寸进行设计, 并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明, 保护环尺寸减小到0.4 μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB), 且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20 μm的SPAD器件, 温度为25℃时暗计数率为638 Hz, 且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%, 具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性.
单光子雪崩二极管(SPAD) 保护环 边缘击穿(PEB) 暗计数率(DCR) 光子探测概率(PDP) single photon avalanche diode (SPAD) guard ring premature edge breakdown (PEB) dark count rate (DCR) photon detection probability (PDP)
1 湘潭大学物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105
2 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8 μm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.
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 single-photon avalance diode (SPAD) photon detection probability (PDP) model Geiger mode CMOS CIS technology
1 湘潭大学 物理与光电工程学院,湖南 湘潭 411105
2 湖南省微光电与系统集成实验室,湖南 湘潭 411105
基于0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS) 图像传感器工艺提出一种新型的低暗计数率(Dark Count Rate)单光子雪崩二极管(SPAD)器件.该器件是利用P+/LNW(Light N-well doping)结检测光子,并通过低浓度的N型扩散圆形保护环抑制边缘击穿,确保其工作在盖格模式.测试结果表明在室温环境下,直径为8 μm的SPAD器件,雪崩击穿电压为14.2 V,当过调电压设置为2 V时,暗计数率为260 Hz,具有低的暗计数率特性.
单光子雪崩二极管(SPAD) 边缘击穿(PEB) 互补金属氧化物半导体(CMOS) single-photon avalanche diode (SPAD) premature edge breakdown (PEB) complementary metal oxide semiconductor(CMOS)
Author Affiliations
Abstract
1 Faculty of Materials, Optoelectronics and Physics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China
2 Faculty of Precision Mechanical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China
A novel composite ultraviolet (UV)/blue photodetector is proposed in this paper. Lateral ring-shaped PN junction is used to separate photogenerated carriers and inject the non-equilibrium excess carriers to the bulk, changing the bulk potential and shifting the threshold voltage of the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) as well as the drain current. Numerical simulation is carried out, and the simulation results show that the composite photodetector has the enhanced responsivity for UV/blue spectrum. It exhibits very high sensitivity to weak and especially ultra-weak light. A responsivity of 7000 A/W is obtained when the photodetector is illuminated under incident optical power of 0.01 μW. As a result, this proposed combined photodetector has great potential for UV/blue and ultra- weak light applications.
光电子快报（英文版）
2013, 9(6): 414
Microelectronics R&D Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, CHN
Microelectronics R&D Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, CHN
