Author Affiliations
Abstract
1 College of Integrated Circuit Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China
2 National and Local Joint Engineering Laboratory of RF Integration & Micro-Assembly Technology, Nanjing 210023, China
The influence of the virtual guard ring width (GRW) on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode (SPAD) in a 180 nm standard CMOS process was investigated. TCAD simulation demonstrates that the electric field strength and current density in the guard ring are obviously enhanced when GRW is decreased to 1 μm. It is experimentally found that, compared with an SPAD with GRW = 2 μm, the dark count rate (DCR) and afterpulsing probability (AP) of the SPAD with GRW = 1 μm is significantly increased by 2.7 times and twofold, respectively, meanwhile, its photon detection probability (PDP) is saturated and hard to be promoted at over 2 V excess bias voltage. Although the fill factor (FF) can be enlarged by reducing GRW, the dark noise of devices is negatively affected due to the enhanced trap-assisted tunneling (TAT) effect in the 1 μm guard ring region. By comparison, the SPAD with GRW = 2 μm can achieve a better trade-off between the FF and noise performance. Our study provides a design guideline for guard rings to realize a low-noise SPAD for large-array applications.
single-photon avalanche diode (SPAD) virtual guard ring dark count rate (DCR) photon detection probability (PDP) afterpulsing probability (AP) Journal of Semiconductors
2023, 44(11): 114102
1 南京邮电大学集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023
2 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
3 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 244199
基于0.18 μm 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。
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 光学学报
2023, 43(20): 2004002
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
南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044
为了分析PDP列驱动芯片的能量恢复效率，提出了2种分析模型。DPLD(doublechannel ptype lateral extended drain MOS)管是列驱动芯片中能量恢复电路的核心元器件。CRC(电容电阻电容)等效电路模型适用于漏电流能力较弱的DPLD管[VCCS(压控电流源)模型适用于漏电流能力较强的DPLD管[测试结果显示CRC和VCCS模型都具备较高的精度，模型误差分别是226%和404%。CRC模型揭示了影响列驱动芯片能量恢复效率的因素有3个，分别是: 充电时间、沟道电阻、负载电容。2种模型分析的对比结果表明，沟道电阻对列驱动芯片的能量恢复效率影响很大，使用较小沟道电阻的DPLD管可以显著提高PDP列驱动芯片的能量恢复效率。CRC和VCCS模型可用于精确预测列驱动芯片的能量恢复效率。
分析模型 PDP列驱动芯片 DPLD管 寻址功耗 能量恢复效率 analytical model[PDP data driver IC[DPLD transisto
北方民族大学 电气与信息工程学院, 宁夏 银川 750021
针对等离子体显示器维持期气体放电过程引起的PDP残像, 研究了持续气体放电过程对残像可恢复性的影响以及相同放电条件下显示单元三基色亮度变化情况, 分析了气体放电过程与PDP残像形成之间的关系, 提出了通过调整PDP显示过程中工作气体的放电强度, 补偿气体放电过程引起亮度差异的方法来减轻显示残像, 改善残像对显示画质影响的方法。实验结果表明, 该方法能够减少残像产生后的恢复时间, 改善显示残像, 提高显示图像画质。
等离子显示器 运动检测 残像 PDP motion detect image stick
东南大学电子科学与工程学院显示中心,南京 210096
近年来,双面显示技术成为国际上研究的热点课题之一。双面显示板是一种能够在显示器件两侧显示图像的器件,相较于传统的使用两块显示板相对放置的双面显示板,它以功耗低、体积小、成本低等优点,在各领域有广泛的应用前景。文章对双面显示技术的发展状况进行了综述,介绍了近年来逐渐应用于双面显示的LCD、OLED、PDP等几种主流双面显示技术。
双面显示技术 液晶显示 有机发光二级管显示 等离子体显示 dual-faced display LCD OLED PDP
四川长虹电器股份有限公司，四川 绵阳 621000
等离子显示器中的潘宁气体在放电过程中会产生近红外线、氖黄光，干扰遥控器等设备，影响观看效果，需安装滤光膜。文章对以酞菁类、二亚铵类为近红外吸收染料的PDP滤光膜进行了对比研究，实验结果表明，酞菁类、二亚铵类滤光膜具有良好的耐湿热、耐高温性能，二亚铵类滤光膜相对于酞菁类滤光膜具有较好的光稳定性能，且可见光区透过率可达到60%以上，适合应用于高透过率PDP滤光膜。
等离子显示器 滤光膜 近红外吸收染料 酞菁 二亚铵 PDP filter near-infrared ray absorbing dye phthalocyanine diimonium
东南大学电子科学与工程学院显示中心， 南京 210096
近年来，双面显示技术成为国际上研究的热点课题之一。双面显示板是一种能够在显 示器件两侧显示图像的器件，相较于传统的使用两块显示板相对放置的双面显示板，它以功耗低、 体积小、成本低等优点，在各领域有广泛的应用前景。文章对双面显示技术的发展状况进行了综述， 介绍了近年来逐渐应用于双面显示的LCD、OLED、PDP等几种主流双面显示技术。
双面显示技术 液晶显示 有机发光二级管显示 等离子体显示 dual-faced display LCD OLED PDP
