蓋革模式下的單光子雪崩二極管（SPAD）陣列兼具單光子信號(hào)探測(cè)和皮秒量級(jí)的時(shí)間相關(guān)性,現(xiàn)在已經(jīng)開始應(yīng)用于一些重要的科學(xué)領(lǐng)域,例如物理學(xué),化學(xué),生物學(xué),航天學(xué)等。在與現(xiàn)代納米CMOS工藝相結(jié)合的設(shè)計(jì)和制造中,能夠在一整塊芯片上直接集成光子探測(cè)器、單元電路和外圍讀出電路等。在應(yīng)用于高速弱光環(huán)境下的探測(cè)時(shí),需要著力提高器件性能、減小噪聲、提高芯片集成度。本文在SMIC 0.18μm工藝下設(shè)計(jì)了一個(gè)128×128的全集成高密度單光子雪崩二極管陣列探測(cè)器。第一,設(shè)計(jì)了一種采用虛擬保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和淺溝槽隔離的SPAD器件,使有源區(qū)直徑降到5μm,整個(gè)器件直徑降到11μm以下,觀察其電場(chǎng)分布和摻雜濃度分布,雪崩電壓,內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布,證明了其適合小尺寸的設(shè)計(jì)。并且這種結(jié)構(gòu)能夠避免重?fù)诫s引起的帶帶隧穿和暗計(jì)數(shù)率,材料缺陷引起的后脈沖,能夠減少邊緣效應(yīng)同時(shí)將耗盡層的位置拉低,增加雪崩區(qū)深度,提高光子的探測(cè)效率。第二,設(shè)計(jì)了一個(gè)高度集成的像素單元電路,包括能夠在3.5 ns內(nèi)完成淬滅復(fù)位電路和一種超小規(guī)模的模擬計(jì)數(shù)電路,這個(gè)方案能夠很好的折中速率和占用面積的影響,在電容取到150 fF時(shí)采用對(duì)數(shù)計(jì)數(shù)可達(dá)到105數(shù)... 

【文章來(lái)源】：南京郵電大學(xué)江蘇省

【文章頁(yè)數(shù)】：77 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

CMOS-APS圖像傳感器陣列圖

(a) (b)(c) (d)圖3.3 多種SPAD保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)(a) 0.35 μm P-tub保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)；(b) 0.18 μm P阱保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)；(c) 第三種：0.18 μm STI/p阱保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)；(d)第四種：0.8 μm 虛擬保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)第二種是隔離的 p 阱區(qū)用作一個(gè)保護(hù)環(huán)，它們是在緊挨著的 n 阱區(qū)的地方橫向擴(kuò)散形成，在這種0.18 μm CMOS工藝下，在n阱中放置擴(kuò)散的 p 阱是不符合工藝規(guī)則的[33]。這里是利用深n阱把襯底和 SPAD 有源區(qū)隔離，而且它也是和MOS管一致，襯底接地后，高壓只能施加到 SPAD 陽(yáng)極，所以會(huì)在陰極上產(chǎn)生大量的寄生電容。由于擴(kuò)散保護(hù)環(huán)的存在，也會(huì)限制 SPADs 之間的距離和較小填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F）。第三種是在深亞微米（DSM

(b)結(jié)構(gòu)和(a)結(jié)構(gòu)有些相似，但是這里將p阱的寬度縮小到STI里面而不是直接拉伸到STI上，這樣在STI和P阱之間形成一個(gè)虛擬保護(hù)環(huán)，阻止表面場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高，而且這種結(jié)構(gòu)面積也是最小的，直徑能夠達(dá)到12μm，而(a)結(jié)構(gòu)的直徑需要達(dá)到20μm以上。圖3.4給出的SPAD版圖設(shè)計(jì)示意圖，采用的都是圓形外觀的中心對(duì)稱設(shè)計(jì)。共同點(diǎn)是這兩種結(jié)構(gòu)的都使用了STI作為防止邊緣擊穿和表面場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高的保護(hù)環(huán)，并且都是替換掉普通的n阱，利用高能離子注入深n阱。深n阱是深亞微米工藝所特有的，它可以將器件與襯底隔離開，器件內(nèi)部的濃度分布隨著深度而增加，從而解決噪聲耦合問(wèn)題和閂鎖效應(yīng)問(wèn)題。用于SPAD結(jié)構(gòu)中，由于深n阱在靠近表面的位置其摻雜濃度較低，可以將耗盡區(qū)拉低到深n阱和p阱交界處。(a)(b)圖 3.4：SPAD 的兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)和 SMIC 0.18 μm 下的版圖形狀

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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[5]一種高優(yōu)值CMOS圖像傳感器讀出電路的設(shè)計(jì)[D]. 劉曉磊.華中科技大學(xué) 2011
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本文編號(hào)：3254927