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
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）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10 μm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 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。
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 光学学报
2023, 43(23): 2313001
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
无锡学院电子信息工程学院，江苏 无锡 214105
碳化硅（SiC）雪崩光电二极管（APD）是一种独具优势的微弱紫外光探测器，其过偏压承受能力是确保器件可靠工作的一个重要因素。本工作设计并制备了穿通型SiC吸收层-电荷控制层-雪崩倍增层分离（SACM）APD。基于这种结构，器件电场从雪崩倍增层向吸收层扩展，从而减小了雪崩倍增层内电场强度变化率，最终将器件过偏压承受能力提高到10 V；得益于吸收层的分压，雪崩倍增层的电场强度得到有效降低，载流子隧穿可能性减小，这能够有效降低器件暗计数，从而有利于提高器件探测灵敏度；此外，设计的SiC SACM APD倾斜台面仅刻蚀到雪崩倍增层上表面，这能够让器件填充因子提高至约60%，显著改善了深刻蚀导致的传统SACM结构有效光敏区域减小的问题。
探测器 雪崩光电二极管 碳化硅 微弱紫外光探测器 暗计数 过偏压承受能力
北京师范大学 核科学与技术学院 新器件实验室，北京 100875
北京师范大学新器件实验室（NDL）一直致力于研制结构紧凑、工艺相对简单的外延电阻淬灭型硅光电倍增器(silicon photomultiplier with epitaxial quenching resistor, EQR SiPM)。近期为了满足硅光电倍增器(silicon photomultiplier, SiPM)在核医学成像方面的需要，NDL通过优化器件设计和制作工艺，成功研制出微单元尺寸为15 μm、有效面积为9 mm2的EQR SiPM。相较以往同类型器件，实现了器件暗计数率(dark count rate, DCR)的进一步降低同时保持了较高的光子探测效率(photon detection efficiency, PDE)，在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时，DCR的典型值为226 kHz/mm2、峰值PDE为46%。另外，为了进一步提升EQR SiPM的动态范围，NDL还研制出微单元尺寸为6 μm、有效面积为9 mm2、微单元数目为244720的EQR SiPM，在环境温度为20 ℃、过偏压为7 V时，DCR的典型值为240 kHz/mm2、峰值PDE为28%，其较大的动态范围特别适合高能宇宙射线的测量、强子量能器等应用。
硅光电倍增器 外延淬灭电阻 光子探测效率 暗计数率 动态范围 silicon photomultiplier epitaxial quenching resistor photon detection efficiency dark count rate dynamic range 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210587
1 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室，北京 100083
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 中国科学院大学 电子电器与通信工程学院，北京 100049
在越来越多的光子计数应用中，用于近红外光波长领域的单光子探测器受到广泛关注。例如在量子信息处理、量子通信、3D激光测距（LiDAR）、时间分辨光谱等光子计数应用领域。文中设计并展示了用于探测1 550 nm波长光子的InGaAs/InP单光子雪崩二极管（SPAD）。这种SPAD 采用分离吸收、过渡、电荷和倍增区域结构 (SAGCM)，在盖革模下工作时具有单光子灵敏度。SPAD的特性包括随温度范围223~293 K变化的击穿电压、暗计数率、单光子检测效率和后脉冲概率。25 μm 直径的 SPAD 显示出一定的温度相关性，击穿电压随温度的变化率约为100 mV/K。当SPAD在盖革模式下温度为223 K工作时，在暗计数率为4.1 kHz，后脉冲概率为3.29%的基础上，对1 550 nm光子实现了21%的单光子探测效率。文中还分析和讨论了SPAD温度相关性的单光子探测效率、暗计数率和后脉冲概率的来源和物理机制。这些机制分析、讨论和计算可以为SPAD的设计和制备提供更多的理论支持和依据。
单光子探测器 温度相关性 光子探测效率 暗计数率 后脉冲概率 single-photon detector temperature dependency photon detection efficiency dark count rate after pulse probability 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210453
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。
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 光学学报
2021, 41(17): 1704001
1 山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室, 山西 太原 030006
2 山西大学极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
研究了在Geiger模式下工作的单光子雪崩二极管的温度特性。结果表明,该雪崩二极管的雪崩电压随温度的降低呈线性减小,电压温度系数为0.42 V/K。当该雪崩二极管在13 V以上雪崩电压下工作时,暗计数率随着温度的降低呈指数下降趋势,温度每降低8.58 K,暗计数率减小一半,当温度从274 K降低到192 K时,该雪崩二极管的暗计数率从13900 Hz减小到了14 Hz。将工作温度为260 K,暗计数率为58 Hz的单光子雪崩二极管冷却到192 K,并且调整二极管两端的偏置电压,使其在波长为852 nm时的探测效率为50%,暗计数率降为0.064 Hz,后脉冲概率为6.7%,单光子探测器的性能得到显著提高。这种超低暗计数率单光子探测器在量子通讯、弱光探测等领域具有广阔的应用前景。
探测器 量子通讯 单光子探测器 暗计数率 雪崩二极管 光学学报
2020, 40(10): 1004001
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
