单光子雪崩二极管SPICE仿真模型的建立和应用

单光子雪崩二极管(SPAD)作为一种高效的光子探测器件被广泛应用于量子通信和三维成像等领域。在Cadence中建立了一个SPAD的Spice模型,通过Verilog-A语言,采用两个e指数函数的组合,以连续函数的方式描述了SPAD在盖革模式区等效电阻的动态变化。这两个e指数函数分别体现了高阻区和低阻区的等效电阻特性,解决了分段电阻模型仿真不收敛的问题。该Spice模型模拟了SPAD器件在“接收光子-雪崩产生脉冲-淬灭-复位”工作过程中的动态特性和SPAD从正偏到二次击穿的静态I-V特性。将其应用到4种不同淬灭电路的仿真中,验证了该模型的有效性和稳定性。

基于标准CMOS工艺线性APD倍增区的优化仿真

采用标准CMOS工艺制备的n^+-p-π-p^+结构的线性APD,其倍增区p层的掺杂分布极大地影响着器件的性能.采用Silvaco仿真软件对倍增区p层进行了设计仿真,研究了p层的注入剂量和注入峰值浓度深度对器件特性的影响.仿真结果表明,设定器件增益为50,在p层的最佳注入剂量为1.82×10^(12)/cm^2,峰值浓度深度为2.1μm左右的最佳工艺条件下,器件的工作电压为73.1 V,过剩噪声因子为4.59,过剩噪声指数在0.34~0.45之间(波长λ=800 nm),优于目前已报道的结果.通过工艺的优化,器件的性能可以得到进一步提高.

基于0.35μm高压CMOS工艺的横向线性雪崩光电二极管

提出了一种基于0.35μm高压CMOS工艺的线性雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)。APD采用了横向分布的吸收区-电荷区-倍增区分离(Separate Absorption,Charge and Multiplication,SACM)的结构设计。横向SACM结构采用了高压CMOS工艺层中的DNTUB层、DPTUB层、Pi层和SPTUB层,并不需要任何工艺修改,这极大的提高了APD单片集成设计和制造的自由度。测试结果表明,横向SACM线性APD的击穿电压约为114.7 V。在增益M=10和M=50时,暗电流分别约为15 nA和66 nA。有效响应波长范围为450~1050 nm。当反向偏置电压为20 V,即M=1时,峰值响应波长约为775 nm。当单位增益(M=1)时,在532nm处的响应度约为最大值的一半。

集成PIN光敏元的CMOS探测器光电响应特性研究

传统的CMOS图像传感器一般采用基于LV-CMOS工艺的N阱/P型衬底制备的PN光电二极管或者PPD二极管作为光敏元。PIN光敏元具有结电容小、量子效率高的特点。采用HV-CMOS(高压CMOS)工艺可以实现CMOS电路与PIN光敏元的单片集成。本文研究了集成PIN光敏元的CMOS探测器的光电响应特性以及NEP随像素大小和复位电压的变化关系。研究表明,将光敏元从PN光电二极管改为PIN光电二极管后,像素电荷增益可以提高一个数量级左右;同时,像素的瞬态电荷增益要大于传统认为的1/Cpd,并与二极管的大小以及复位电压紧密相关。研究发现,小像素因其更高的电荷增益和更低的等效噪声,更加适合弱信号下的短积分时间快速探测。若配合微透镜的使用,小像素在微光探测方面可以获得更大的优势。

非均匀性校正的长波光导探测器读出电路设计

在航天遥感领域,波长在10μm以上的长波探测器仍以Hg Cd Te光导型探测器为主,在红外探测成像方面发挥着重要作用。非均匀性是目前长波光导探测器突出的问题之一,设计了一种数模混合的非均匀性校正的长波光导探测器读出电路。该电路不仅可以有效地解决线列长波光导探测器电阻非均匀性问题,还可以增大ROIC输出信号的动态范围,几乎不增加读出电路功耗。经过仿真测试表明:非均匀性问题有了明显的改善,能够使其非均匀性降为0.5%以内,在常温和低温下都能正常工作。该校正电路不仅能解决当前工程中的关键问题,还对今后高性能大面阵长波光导探测器读出电路的设计具有重要的指导意义。

基于HV-CMOS工艺集成PIN光敏元的CMOS传感器设计

PIN光电二极管相对于pn结型光电二极管具有结电容小、量子效率高等优点,但采用标准低压CMOS(LV-CMOS)工艺研制的CMOS传感器只能实现基于n阱/p衬底的pn结光敏元与片上电路的集成,高压CMOS(HV-CMOS)工艺的发展为CMOS电路与PIN光敏元列阵的单片集成提供了可能。基于HV-CMOS工艺设计了一种集成PIN光敏元列阵的CMOS传感器,并对器件的光电响应进行了测试评估。结果表明,集成PIN光敏元的CMOS传感器具有更高的像素增益和量子效率,而暗电流、输出摆幅、线性度等特性保持良好。在500~900nm宽波段范围内,器件的量子效率均达到80%以上,在950nm附近的量子效率达到25%,优于采用其他工艺制作的CMOS传感器。