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
光子学报
2021, 50(12): 1228002
重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院 微电子系, 重庆 400065
采用标准的0.18μm CMOS工艺, 设计了一种新型的应用于可见光通信系统的雪崩光电二极管(APD)。相较于传统的CMOS APD, 该器件在深n阱/p衬底的结构基础上增加一层p阱, 再在其上分别离子注入一层n+/p+层作为器件的雪崩击穿层, 并且采用STI结构来防止器件边缘过早击穿。仿真结果表明, 器件的雪崩击穿电压为9.9V, 暗电流为1×10-12A, 3dB带宽为5.9GHz, 响应度为1.2A/W。由于STI保护环和短接深n阱/p衬底的结构设计, 器件暗电流较传统结构CMOS APD降低了2个量级, 且带宽提高了约10%。
雪崩光电二极管 可见光通信 pn结 STI保护环 带宽 响应度 avalanche photodiodes visible light communication CMOS CMOS pn junction STI guard ring bandwidth responsivity
重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院, 重庆 400065
基于标准0.18μm CMOS工艺设计了一种新型单光子雪崩二极管(SPAD)器件。该SPAD以pwell/nwell轻掺杂雪崩结作为器件的核心工作区域, 同时利用三个相邻n阱间的横向扩散在pn结边缘形成n-虚拟保护环以提高器件的性能。采用Silvaco软件对该器件的电场分布、响应度、击穿电压、光子探测效率和暗计数率等性能参数进行了仿真分析。仿真结果表明: 当SPAD器件的光窗口直径为20μm且n阱间隙宽度为1.4μm时, 其雪崩击穿电压为13V; 在过偏压为1V时, 其探测效率峰值和暗计数率分别为37%和0.82kHz; 在450~700nm波长范围器件的响应度较好, 且在500nm处达到峰值0.33A/W。
单光子雪崩二极管 标准0.18μm CMOS工艺 虚拟保护环 响应度 光子探测效率 暗计数率 single photon avalanche diode standard 0.18μm CMOS process virtual guard ring responsivity photon detection efficiency dark count rate
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 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 重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院，重庆 410065
2 中科院微电子所十室，北京 100029
基于0.18 μm CMOS工艺技术，制作了单光子雪崩二极管，可对650~950 nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P+/N阱结构，P+层深度较深，以提高对长光波的光子探测效率与响应度；采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度，可以提高探测灵敏度；深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底，降低衬底噪声；采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数，并对器件性能进行优化设计.实验结果表明，单光子雪崩二极管的窗口直径为10 μm，器件的反向击穿电压为18.4 V左右.用光强为0.001 W/cm2的光照射，650 nm处达到0.495 A/W的响应度峰值；在2V的过偏压下，650~950 nm波段范围内光子探测效率均高于30%，随着反向偏压的适当增大，探测效率有所提升.
单光子雪崩二极管 标准0.18μm CMOS工艺 深N阱 保护环 击穿特性 响应度 光子探测效率 Single Photon Avalanche Diode (SPAD) Standard 0.18 μm CMOS process Deep n-well Guard ring Breakdown characteristics Responsivity Photon detection efficiency
研究了离子注入后推结与扩散两种掺杂方式制作保护环对拉通型硅基雪崩光电二极管(Si-APD)器件成品率的影响, 对比在不同工艺条件下器件反向击穿电压、暗电流的变化情况。研究结果表明, 采用离子注入后推结的方式, 在注入后3 h@1 100 ℃条件下的成品率为94%; 采用扩散掺杂方式, 器件成品率不超过65%。两种方式对器件反向击穿电压影响较小且暗电流抑制效果相当。离子注入后推结制备保护环的方式更适合Si-APD制程。
拉通型Si-APD 保护环 离子注入技术 扩散技术 成品率 reach-through Si-APD guard-ring ion implantation diffusion technique yield
重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院, 重庆 400065
基于标准0.35 μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构, 同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能；研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响；对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明：所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10 μm, 扩散n阱保护环宽度为1 μm时, 雪崩击穿电压为13.2 V, 3 dB带宽可达1.6 GHz；过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%；在波长500～800 nm之间器件响应度较好, 波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.
单光子雪崩二极管 标准0.35 μm CMOS工艺 保护环 深n阱 响应度 3 dB带宽 光子探测效率 Single photon avalanche diode Standard 0.35 μm CMOS process Guard ring Deep n-well structure Responsivity 3 dB bandwidth Photon detection efficiency
重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院，重庆 400065
提出了一种基于0.35μm CMOS工艺的、具有p+/n阱二极管结构的雪崩光电二极管（APD），器件引入了p阱保护环结构。采用silvaco软件对CMOS-APD器件的关键性能指标进行了仿真分析。仿真结果表明：p阱保护环的应用，明显降低了击穿电压下pn结边缘电场强度，避免了器件的提前击穿。CMOS APD器件的击穿电压为9.2V，工作电压下响应率为0.65A/W，最大内部量子效率达到90%以上，响应速度能够达到6.3GHz，在400~900nm波长范围内，能够得到很大的响应度。
0.35μm CMOS工艺 雪崩光电二极管 器件仿真 边缘击穿 保护环 0.35μm CMOS process avalanche photodiode device simulation edge breakdown guard ring
