【摘要】：近年來,隨著工藝水平的日益提高以及科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展,單光子探測技術(shù)正向集成化、微型化、陣列化等方向發(fā)展,而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光電倍增管(Photomultiplier Tubes,PMT)、雪崩光電二極管(Avalanche Photodiode,APD)等探測器已經(jīng)無法滿足某些特定工程應(yīng)用的要求。為了能精確探測出微弱光信號或是單光子信號,需要研究高靈敏度的單光子探測器。因而,目前各國學(xué)者對工作在蓋革模式下的APD,即單光子雪崩二極管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)進(jìn)行了廣泛的研究。SPAD器件憑借其高速、優(yōu)越的時(shí)間分辨率及卓越的光學(xué)靈敏度特性,能對單光子量級的微弱光信號進(jìn)行有效探測,成為制作單光子探測器的理想器件。本文針對650-950 nm波段高靈敏度、低強(qiáng)度微光信號的探測需求,對SPAD器件的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了深入研究。該器件采用0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)�；窘Y(jié)構(gòu)采用P~+/深N阱雙二極管結(jié)構(gòu),較深的P~+層厚度加深了PN結(jié)結(jié)深,有利于提高長波段光的探測效率;通過在P~+有源區(qū)周圍輕摻雜P阱作為保護(hù)環(huán),預(yù)防器件發(fā)生過早邊緣擊穿現(xiàn)象;P~+/深N阱結(jié)作為擊穿區(qū),在此發(fā)生雪崩倍增,實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換;深N阱/P-sub結(jié)作為屏蔽二極管,阻止襯底光生載流子擴(kuò)散到工作PN結(jié),減小襯底慢光生載流子擴(kuò)散對器件響應(yīng)速度的影響。這種P~+/深N阱結(jié)構(gòu)在650-950 nm波段內(nèi)的探測效率良好,但暗計(jì)數(shù)率較高,器件整體性能還有待優(yōu)化。在基本結(jié)構(gòu)確定之后,根據(jù)器件的性能特點(diǎn),通過理論分析及仿真設(shè)計(jì),對器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體開展了以下幾個(gè)方面的工作:首先,由于擴(kuò)散保護(hù)環(huán)技術(shù)空間占據(jù)較大,造成填充因子低,因此為對器件的緊湊性與延展性進(jìn)行優(yōu)化,采用由N阱橫向擴(kuò)散形成的虛擬保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)代替重?fù)诫s邊緣輕摻雜形成的P阱保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu),降低邊緣電場,進(jìn)而抑制結(jié)邊緣擊穿;然后,為改善器件噪聲特性,在P~+層中心區(qū)域下方注入高摻雜N阱層,增大了中心區(qū)域電場,降低器件擊穿電壓,有效控制器件的暗計(jì)數(shù)率,也有利于提高長波長探測效率;另外,設(shè)計(jì)了表面濃度較低的逆行深N阱結(jié)構(gòu),能增強(qiáng)有源區(qū)載流子的收集效果,且部分光生載流子在深N阱區(qū)形成,拓展了光吸收區(qū)域,從而提高器件整體探測效率。對優(yōu)化后的SPAD主要性能進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明:優(yōu)化后SPAD器件的擊穿電壓明顯降低。室溫下,擊穿電壓由優(yōu)化前的-18.4 V變?yōu)?8.2 V。在0.001W/cm~2的入射光照射條件下,反向偏壓達(dá)到擊穿電壓時(shí),光電流由1×10~(-12)A迅速增大為mA量級的宏觀電流,完成了微弱光信號與可探測電信號之間的有效轉(zhuǎn)換,并在650 nm處達(dá)到0.64 A/W的響應(yīng)度峰值,650-950 nm波段內(nèi)的響應(yīng)度均高于0.45 A/W,過偏壓為1 V條件下,在550-600 nm波段內(nèi)具有約為75%的平穩(wěn)光子探測效率峰值,在650-950 nm的目標(biāo)探測波段內(nèi),探測效率均高于35%,且暗計(jì)數(shù)率有明顯降低,室溫下約為1.3 kHz,優(yōu)化后的SPAD整體性能較之前結(jié)構(gòu)得到顯著改善。
【圖文】：

光信號轉(zhuǎn)化為可探測的電信號。光譜范圍約在 300-1000 nm 之間種[3]：基于外光電效應(yīng)，如光電倍增管、微通道板(Microchltipliers Tubes, MCP)與混合型光電倍增管(Hybrid Photomultipl；基于內(nèi)光電效應(yīng)如雪崩光電二極管。光電倍增管(PMT)倍增管是迄今為止歷史最為悠久，發(fā)展也最為成熟的真空器件射效應(yīng)與外光電效應(yīng)于一體，由真空管入射窗口的光電陰極s)和負(fù)責(zé)輸出信號的陽極三部分構(gòu)成，其經(jīng)典模型如圖 1.1 所示：在各個(gè)電極施加一定的電壓，入射光子在光電陰極通過光電發(fā)射到真空管中，這些電子在打拿極的電場作用下進(jìn)行二次電次倍增后于陽極放大，輸出大電流，完成光電轉(zhuǎn)換。在正常的出信號的幅度正比于輸入信號的光強(qiáng)。

大學(xué)碩士學(xué)位論文 第道板是一種工作原理類似于 PMT 的特殊二維光學(xué)纖維器件，，由（通道）組裝而成，其內(nèi)部直徑大約在 6 μm 到 20 μm 之間，結(jié)構(gòu)示意圖。這些毛細(xì)管內(nèi)壁涂有光電發(fā)射材料，且在每端施加個(gè)連續(xù)打拿極。當(dāng)初級光電子在一個(gè)通道內(nèi)壁發(fā)生碰撞時(shí)，會級電子再次與內(nèi)壁碰撞釋放出更多電子，以此類推，導(dǎo)致電子。
【學(xué)位授予單位】：重慶郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.7

【參考文獻(xiàn)】

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2 王巍;王川;顏琳淑;杜超雨;王婷;王冠宇;王振;馮世娟;;一種高帶寬NP型CMOSAPD的研究[J];紅外與激光工程;2015年02期

3 楊懷偉;韓勤;楊曉紅;李彬;王秀平;王杰;劉少卿;;平面型APD抑制邊緣擊穿的方法研究[J];半導(dǎo)體光電;2012年01期

4 梁創(chuàng),aphy.iphy.ac.cn,廖靜,梁冰,吳令安;硅雪崩光電二極管單光子探測器[J];光子學(xué)報(bào);2000年12期

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1 顧懷奇;Si基微元APD雪崩增益與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

本文編號：2598437