SPAD阵列的规模不断扩大对读出电路(Read-out Integrated Circuit, ROIC)提出了更高的要求，时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)是ROIC的核心电路，完成对光子飞行时间(Time-of-Flight, TOF)高精度量化。为避免大规模阵列中高频时钟信号长距离走线而引起的串扰和噪声干扰，抑制初相误差引起的检测精度退化，设计了一种基于内置时钟的ROIC阵列电路，阵列像素间距均为100 µm，内置于各像素内的门控环形振荡器(Gated Ring Oscillator, GRO)独立提供像素TDC所需的高频分相时钟信号，各像素GRO均由像素外置锁相环(Phase Locked Loop, PLL)产生的压控信号控制。由于采用一种基于事件驱动的检测策略，只量化光子事件有效触发的TOF，有效降低了系统功耗。该芯片采用TSMC 0.18 µm 1.8 V标准CMOS工艺制造，测试结果表明：TDC的时间分辨率和量程分别为102 ps和100 ns，微分非线性DNL低于0.8 LSB，积分非线性INL低于1.3 LSB，系统功耗小于59.3 mW。
时间数字转换器 光子飞行时间 门控环形振荡器 锁相环 单光子雪崩光电二极管 time to digital converter time-of-flight gated ring oscillator phase-locked loop SPAD 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220896
中国电子科技集团公司第四十三研究所微系统安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230088
半导体单光子雪崩二极管可实现微弱信号的探测, 在量子通讯、激光雷达和大气探测等领域具有重要应用。虽然半导体单光子雪崩二极管的性能主要取决于探测芯片设计、流片工艺和外围匹配电路的设计, 但后续的封装技术对其探测性能也有重要的影响。聚焦多年来半导体单光子雪崩二极管的封装发展, 简要介绍了相应封装形式和技术, 以及封装对于雪崩二极管性能的影响, 最后对半导体单光子雪崩二极管的封装发展前景做出了展望。
半导体单光子雪崩光电二极管 封装技术 暗计数 探测效率 热管理技术 光路耦合技术 semiconductor single-photon avalanche photodiodes packaging technology dark countings detection efficiency thermal management technology optical coupling technology
针对1064nm波段高灵敏激光测距应用, 设计了一种由单光子雪崩光电二极管(SPAD)、微型热电制冷器(TEC)、主动淬灭主动恢复电路(AQAR)、温控单元、高压单元、FPGA等混合集成的高性能单光子探测器模块。SPAD芯片采用了分离吸收渐变电荷倍增(SAGCM)的InGaAsP/InP材料结构设计, 内部电场分布经Matlab软件仿真, 结果显示该结构具有良好的增益特性。SPAD芯片通过TEC制冷保持低温工作来降低暗计数以抑制器件的噪声。低延迟AQAR由高速比较器与宽带放大器构成, 淬灭时间约为1.2ns, 有效减少了后脉冲效应。测试结果表明, 在-30℃, 探测效率为30.2%下, 暗计数率仅为1.9kHz, 在死时间为0.8μs时, 后脉冲为10.4%。通过集成化设计的单光子探测器模块具有探测效率高和暗计数率低的优势, 能够满足小型化激光测距应用需求。
集成制冷 单光子雪崩光电二极管 激光测距 integrated refrigerated single photon avalanche photodiode laser ranging AQAR AQAR
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 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站, 长春 130117
2 中国科学院大学, 北京 100049
从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发, 分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系, 并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明, 当回波光子数为1 000左右时, 系统测距精度为10.2 mm左右, 当回波光子数为8 000时, 测距精度减小为9.4 mm左右, 表明回波强度较大时, 可提高卫星激光测距系统的测距精度; 当激光器脉宽为200 ps时, 系统测距精度为17.3 mm, 当脉宽为50 ps时, 系统的测距精度为10.0 mm, 表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果, 对Ajisai卫星进行实测, 分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响, 结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统, 激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加, 测距精度也有一定的提高.因此, 为了改善卫星激光测距系统回波特性, 应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.
盖革模式单光子雪崩光电二极管 探测器 卫星激光测距 回波特性 测距精度 Geiger mode single photon avalanche diode Detector Satellite laser ranging Echo characteristics Range precision
中国电子科技集团公司第四十四研究所 化合物半导体光电子事业部, 重庆 400060
通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示, InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿, 降低隧穿暗载流子产生速率, 提高雪崩击穿几率.实验结果显示, 顶层非故意掺杂的器件在223 K下获得了20%的单光子探测效率和1 kHz的暗计数率, 其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×1015 /cm3的器件高3%～8%, 而暗计数率低一个量级.结果表明, 降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能.
单光子雪崩光电二极管 顶层 掺杂浓度 InGaAs/InP InGaAs/InP single-photon avalanche diode cap layer doping density
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
通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管, 研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 μm单光子技术雪崩光电二极管。 器件采用分离吸收倍增区结构, 其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区, 这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异, 降低了器件噪声;在1.06 μm波长下, SiGe探测器的量子效率为4.2%, 相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布, 从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。
单光子雪崩光电二极管 电场分布 量子效率 仿真分析 single photon avalanche photodiode SACM-APD SACM-APD electric field distribution quantum efficiency simulation analysis 红外与激光工程
2016, 45(5): 0520004
