红外与激光工程
2020, 49(4): 0403009
1 杭州电子科技大学 电子信息学院, 杭州 310018
2 天津大学 微电子学院, 天津 300072
基于180 nm标准CMOS工艺, 设计了一种能够有效提高光子探测效率的双电荷层结构的单光子雪崩二极管.该器件结构采用P电荷层和逆行掺杂的深N阱形成PN结, 选取不同的P电荷层掺杂浓度, 对击穿电压进行优化, 当P电荷层浓度为1×1018cm－3时, 击穿电压为17.8 Ｖ, 电场强度为5.26×105 V/cm.进一步研究发现N电荷层的位置会影响漂移电流密度和扩散电流密度.当在深N阱与N隔离层交界处掺杂形成N电荷层, 即N电荷层掺杂峰值距离器件表面为2.5 μm时, 器件性能最优.通过Silvaco TCAD仿真分析得到：在过偏压1 V下, 波长500 nm处的探测效率峰值为62%, 同时在300~700 nm范围内的光子探测效率均大于30%.
光电探测器 单光子雪崩二极管 180 nm标准CMOS工艺 双电荷层 击穿电压 光谱响应 光子探测效率 Photodetector Single photon avalanche diode 180 nm standard CMOS technology Double charge layers Breakdown voltage Spectral response Photon detection efficiency
1 中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室, 北京100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京100049
3 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心, 北京 100083
设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声; 带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间; 时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180 nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明：在1 V的过偏压下, 单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8 kHz; 在550 nm波长光照下探测效率最高, 为18%; 设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8 ns; 时间数字转换器的分辨率为416 ps, 帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5 m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像, 其测距的最大非线性误差为1.9%, 准确度为3.8%.
单光子雪崩二极管 CMOS工艺 飞行时间测量 激光雷达 时间数字转换器 Single photon avalanche diode CMOS technology Time-of-flight LiDAR Time-to-digital converter
1 天津大学 微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验室, 天津 300072
2 天津大学 电气自动化与信息工程学院, 天津 300072
基于深亚微米CMOS工艺, 设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响, 结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明, 保护环间距d=0.6 μm时器件性能最优, 此时击穿电压为13.5 V, 暗电流为10－11A.在过偏压为2.5 V时, 门控模式下的暗计数概率仅为0.38%, 器件在400~700 nm之间具有良好的光学响应, 500 nm时的峰值探测效率可达39%.
光电器件 单光子雪崩二极管 CMOS工艺 深n阱 保护环 响应度 光子探测效率 Photoelectronic devices Single photon avalanche diode CMOS technology Deep Nwell structure Guard ring responsivity Photon detection efficiency
1 天津大学 微电子学院，天津市成像与感知徽电子技术重点实验室，天津 300072
2 天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300072
基于UMC 0.18μm CMOS工艺，提出一种适合紫外/蓝光探测的探测器，该器件由栅体互联的NMOS晶体管和横向/纵向光电二极管构成.其中，浅结的光电二极管由UMC工艺中Twell层（浅P阱）和Nwell层形成，以增强其对紫外/蓝光的吸收，栅体互联的NMOS晶体管可以放大光电流，提高探测器的灵敏度和动态范围.仿真结果表明，本文设计的紫外/蓝光探测器具有低的工作电压和暗电流，对300~550 nm波长范围的光具有高的响应度和宽的动态范围.在弱光条件下（光强小于1 μW/cm2），响应度优于105 A/W，随着光强增大，响应度逐渐降低，但总体仍超过103 A/W.
光电器件 响应度 弱光探测 紫外/蓝光 CMOS工艺 动态范围 选择性 Photoelectric devices Responsivity Weak-light detection Ultraviolet/blue light CMOS technology Dynamic range Selectivity
1 黑龙江大学, 黑龙江省高校电子工程重点实验室, 哈尔滨 150080
2 中国电子科技集团公司 第49研究所, 哈尔滨 150009
基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作, 利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下, 工作电压为5.0 V时, 实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa, 加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g, 可实现外加压力和加速度的测量, 具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。
多功能传感器 压力传感器 加速度传感器 MEMS技术 CMOS工艺 multifunction sensor pressure sensor acceleration sensor MEMS technology CMOS technology 强激光与粒子束
2016, 28(6): 064115
基于标准CMOS工艺的p+源/漏区和n阱, 设计了两种楔形瓣状结构的正向注入型硅基发光二极管(Si-LED), 采用UMC 0.18 μm 1P6M CMOS工艺设计制备。测试结果表明, 正向注入型p+/n-well二极管的发射波长位于近红外波段, 峰值波长在1 130 nm附近, 且工作电压小于2 V, 与标准CMOS电路兼容。其中, 八瓣结构的Si-LED (TS2)在200 mA时的发光功率可达1 200 nW, 且未出现饱和, 而注入电流为40 mA时的最大功率转换效率达5.8×10-6, 约为四瓣结构器件(TS1)的2倍。所研制的Si-LED具有工作电压低、转换效率高等优点, 有望在光互连领域得到应用。
硅基发光二极管 正向注入 楔形结构 标准CMOS工艺 Si-based light emitting diode forward-injection wedge configuration standard CMOS technology
1 天津工业大学 电气工程与自动化学院, 天津 300160
2 半导体照明工程研发中心, 天津 300160
采用0.35 μm 双栅标准CMOS工艺设计和制备了叶型硅发光器件。叶型硅发光器件由3个楔型器件的组合而成, pn结结构为n阱/p+结。使用奥林巴斯IC显微镜测得了器件的显微图形, 并对器件进行了电学特性测试。器件工作在雪崩击穿下, 开启电压为8.8 V, 能够发出黄色可见光; 正向偏置下, 器件开启电压为0.8 V。在与已经制备的楔型器件比较时发现, 器件发光受串联电阻分压影响, 并且有点增强发光现象, 这些情况均与器件的电极布局有关。
硅LED CMOS工艺 电极版图 silicon LED standard CMOS technology layout of electrode
1 Electronic and Information School, Tianjin University,Tianjin 300072, CHN
2 Information and Communication Inst., Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, CHN
3 Institute of Semiconductors of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, CHN
半导体光子学与技术
2010, 16(2-3): 83
光纤通信技术和网络国家重点实验室 烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430074
文章采用0.25 μm互补型金属氧化物半导体( CMOS)工艺设计了一种622 Mbit/s速率光接收模块的限幅放大器，整个系统包括偏置电路、输入缓冲、三级放大、输出缓冲和直流反馈，采用全差分结构。利用3.3 V电源供电，功耗约为109 mW，电路增益可达97 dB，在46 dB的输入动态范围内可以保持790 mV的恒定输出摆幅。
622 Mbit/s光接收模块 互补型金属氧化物半导体工艺 限幅放大器 622 Mbit/s optical receiver module CMOS technology limiting amplifier
