近红外单光子激光雷达人眼安全分析

近年来基于单光子雪崩二极管(SPAD)的激光雷达得到迅猛发展,已经从军事侦察、生物探测等特殊领域走向需求量巨大的无人驾驶系统等民用领域。由砷化镓、磷化铟等材料制备的SPAD探测器可以对1. 54μm以上的近红外长波响应,具有人眼安全性,但制造成本高且难以实现大规模集成,无法满足低成本和高集成度的民用要求。目前,硅基SPAD探测器通过结构和工艺优化实现了对0. 7～1. 1μm近红外短波光子的高效探测,大幅度降低激光发射功率,从而降低了激光对人眼的伤害。但为了安全工作,还必须对人眼安全问题进行分析。本文在分析SPAD激光雷达研究现状的基础上对近红外短波激光雷达的人眼安全进行了深入和全面的分析,根据美国国家激光标准精确计算出符合人眼安全的激光能量和照射时间,为硅基SPAD民用激光雷达的应用提供了设计依据。

采用多晶硅场板降低单光子雪崩二极管探测器暗计数

针对削弱暗计数噪声对单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode,SPAD)探测器的影响,本文研究了采用多晶硅场板降低SPAD器件暗计数率(dark count rate,DCR)的机理和方法.基于0.18-μm标准CMOS工艺,在一种可缩小的P+/P阱/深N阱器件结构的P+有源区和浅沟道隔离区(shallow trench isolation,STI)之间淀积了一层多晶硅场板来减小器件暗计数噪声.测试结果表明,多晶硅场板的淀积使SPAD器件的DCR降低了一个数量级,其在高温下的暗计数性能甚至优于室温下的未淀积多晶硅场板的器件.通过TCAD仿真进一步发现,SPAD器件保护环区域的峰值电场被多晶硅场板引入到STI内部,保护环区域的整体电场降低了25%;最后通过对DCR的建模计算得出,多晶硅场板削弱了具有高缺陷密度的保护环区域的电场,使缺陷相关DCR显著降低,从而有效改善了SPAD的暗计数性能.