發(fā)布時(shí)間：2020-10-18 14:57

　　 光電檢測(cè)是光通信、光存儲(chǔ)、光探測(cè)的核心技術(shù)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸追求能夠探測(cè)到光子級(jí)別的微弱光的探測(cè)器,單光子檢測(cè)技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生,并在國(guó)防安全,社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域占據(jù)重要地位,成為了國(guó)內(nèi)外科研工作者的研究熱點(diǎn)。在眾多單光子探測(cè)器中,使用雪崩光電二極管制作的單光子雪崩探測(cè)器因其內(nèi)部增益大,噪聲低、靈敏度高,能夠與現(xiàn)有CMOS工藝兼容、集成度高的優(yōu)點(diǎn),成為了單光子檢測(cè)中的主流。本文基于SOI CMOS工藝設(shè)計(jì)一種橫向結(jié)構(gòu)多電荷層的SACM APD(Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photo Detector)器件,采用吸收區(qū)與倍增區(qū)分離的SACM結(jié)構(gòu),因此吸收區(qū)中的光生載流子只有電子能到達(dá)倍增區(qū)發(fā)生碰撞電離,實(shí)現(xiàn)了單種載流子雪崩,降低雪崩噪聲。并在吸收區(qū)和倍增區(qū)之間加入階梯摻雜電荷層,從而改善了吸收區(qū)與倍增區(qū)的電場(chǎng),加大載流子的漂移速度,提高頻率響應(yīng),有效解決雪崩電壓與頻率響應(yīng)之間的矛盾。橫向結(jié)構(gòu)可以忽略曲率效應(yīng),并能有效解決響應(yīng)度與頻率響應(yīng)之間的矛盾。首先,采用Silvaco ATLAS仿真器對(duì)器件的I-V特性和頻率響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真。得出器件的雪崩電壓為8.2V,在波長(zhǎng)為400nm,光強(qiáng)為0.001 W/cm2時(shí),當(dāng)反向偏壓為8.2V時(shí),器件的響應(yīng)度可達(dá)160.4A/W,在9.5V反向偏壓下,器件的截止頻率可達(dá)10GHz。其次,采用Silvaco ATHENA仿真器對(duì)設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行工藝仿真,得出了合理有效的工藝步驟,并使用ATLAS仿真器對(duì)工藝實(shí)現(xiàn)后的器件的I-V特性進(jìn)行仿真,得到的器件雪崩電壓與軟件建模的雪崩電壓存在1V的偏差。最后,設(shè)計(jì)了一種有源淬火電路和讀數(shù)電路并完成了版圖設(shè)計(jì),電路的死時(shí)間為7ns,最大光子計(jì)數(shù)率約為150Mcps。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)沙理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN312.7
【部分圖文】：

ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）三種。??光電倍增管是最早用于單光子檢測(cè)的的器件［３］，其工作原理基于光電效應(yīng)和二級(jí)電??子發(fā)射具體如圖１．１所示：??ｈｖ?光電陰極?倍增級(jí)?４電陽(yáng)極??—Ｗ??倍職?倍增級(jí)??圖１．１?ＰＭＴ簡(jiǎn)單工作原理??ＰＭＴ主要由光電陰極、倍增級(jí)和光電陽(yáng)極組成。光子入射到光電陰極上，由于光??電效應(yīng)，光電陰極產(chǎn)生光生電子，光生電子在倍増級(jí)之間的電場(chǎng)作用下加速，射向倍增??級(jí)，并在倍増級(jí)出產(chǎn)生二次發(fā)射電子，在經(jīng)過(guò)多級(jí)倍增級(jí)后，將會(huì)產(chǎn)生大量二次發(fā)射電??１??

圖２．３不同ｋ值下倍増?jiān)肼暸c增益的關(guān)系??從圖中可以看出單一載流子雪崩型的ＡＰＤ具有更小的倍增噪聲

＇?ｅｘｐ［－＾＊ｊｃ］?（２．１９）??圖２．４為局域模型和非局域模型的電子碰撞電離率隨載流子的分布圖。從圖中可以??看出，在局域模型中，電子在ｘ＝０時(shí)即碰撞電離。而在非局域模型中，電子在后才??開(kāi)始碰撞電離，因?yàn)殡娮右呀?jīng)經(jīng)過(guò)Ａ距離的加速，所以此時(shí)的碰撞電離率要大于局域模??型的碰撞電離率。??－?；＼?一■一?Ｎｏｎ－ｌｏｃａｌ??０?ｘ??圖２．４局域模型和非局域模型的空穴碰撞電離率與載流子的位置關(guān)系??２．４?ＳＰＡＤ的性能參數(shù)??ＳＰＡＤ有兩種工作方式：線性模式和蓋革模式。線性模式中光電流與入射光的功??率成正比。而蓋革模式中輸出的光電流與入射光功率無(wú)關(guān)，因此只能探測(cè)是否有光??子到來(lái)。ＳＰＡＤ的性能參數(shù)主要有：響應(yīng)度、帶寬、光子探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率和死時(shí)??１３??
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本文編號(hào)：2846448