基于4H-SiC APD单光子探测的主动淬灭电路研究

为了对比不同类型淬灭电路对4H-SiC雪崩光电二极管(APD)探测性能的影响,采用被动淬灭电路(PQC)和主动淬灭电路(AQC),对两种类型SiC紫外APD进行了单光子探测实验,发现在PQC较长死区时间内,会频发后脉冲现象,导致APD的暗计数率(DCR)较高,从而降低器件的信噪比;对APD后脉冲概率的时间分布进行了研究,并进一步对AQC在更高器件过偏压下单光子探测中出现的问题进行了分析,提出了电路改进方案。结果表明,通过将AQC死区时间调整至45 ns,在相同单光子探测效率下,可将器件DCR减少至原先水平的1/4;通过有效抑制后脉冲和加快APD恢复速度,AQC可使器件展现出更加优越的探测性能。此研究为SiC APD在单光子探测中的应用提供了一定的参考。

单光子激光测距淬灭电路设计优化

随着对激光测距测程要求的提高,以量子探测和概率统计理论为基础的单光子激光测距技术逐渐成为发展的新方向,单光子测距灵敏度高、测程远,探测器常用盖革模式下的雪崩光电二极管。盖革模式下,探测器一旦响应,电流成倍增大,需要加上淬灭电路。目前主动淬灭方式较为常用,但是噪声较大,电路设计复杂。优化设计了GHz的门控淬灭方式,将高频正弦信号加载在探测器两端,在正弦信号正半周期探测器处于盖革模式,负半周期淬灭探测器,同时门控信号的存在降低了电路的噪声。把主动淬灭电路和门控淬灭电路进行了研究与仿真,结果表明,正弦门控电路死时间短,噪声低,探测效率高,性能较优。设计了正弦门控电路。

基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子TOF传感器像素设计

设计了一种基于SMIC 0.13μm CIS工艺的单光子飞行时间(TOF)传感器像素结构。针对传统单光子雪崩二极管(SPAD)结构的不足,采用p阱和STI共同作为保护环,避免器件提前发生边缘击穿从而减小器件面积,增加深n阱使有源区耗尽层变窄,从而降低雪崩击穿电压,增加硅外延层将器件的光谱响应峰值转移到所需要的光波长,以此提高器件对指定波长光的吸收能力。通过浮动SPAD阳极电压的方式,采用低压CMOS晶体管实现主动式淬灭电路从而快速地控制雪崩电流淬灭,以达到缩短死区时间的目的。通过SILVACO TCAD和Cadence IC设计套件对工艺、像素器件结构以及相关电路进行仿真,验证了该设计的可行性。