單光子雪崩二極管的性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
發(fā)布時(shí)間：2021-12-17 08:05
硅光電倍增管（SiPM）因其高增益、極佳的時(shí)間分辨率、不受磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)正逐漸取代光電倍增管（PMT）作為正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像系統(tǒng)（PET）中探測420nm波長光子的光電探測器。本文旨在對SiPM的基本單元單光子雪崩二極管（SPAD）進(jìn)行性能研究,并針對420nm波長的目標(biāo)光子,設(shè)計(jì)一款具有高探測效率和快速時(shí)間響應(yīng)的SPAD。首先,進(jìn)行了SPAD的性能分析。根據(jù)SPAD探測光子的原理建立了探測效率的仿真模型�？紤]到非平衡載流子熱擴(kuò)散過程具有隨機(jī)性的特點(diǎn),利用蒙特卡洛方法模擬了光生載流子在中性區(qū)中的二維擴(kuò)散過程,進(jìn)而推導(dǎo)出時(shí)間響應(yīng)的二維仿真模型。分析了影響暗計(jì)數(shù)和后脈沖的因素以及抑制這兩種噪聲的方法。其次,設(shè)計(jì)了一款適用于探測420nm波長光子的新型SPAD。該SPAD采用了一種新的保護(hù)環(huán)制作方法,有效抑制邊緣擊穿的同時(shí)避免離子橫向擴(kuò)散損耗填充因子。利用本文提出的性能仿真模型,對重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了的優(yōu)化,最終確定p型中性區(qū)厚度為0.25μm、n阱濃度為8e16/cm3,此時(shí)SPAD的探測效率與時(shí)間響應(yīng)性能分別為:2.5V過偏壓下的探測效率為50.41%;99....
【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：80 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
APD與SPAD工作原理示意圖
圖 1-2 第一代硅光電探測器。左邊為 Haitz 的模型[2]，右邊為 McIntyre 的模型[3]上世紀(jì)七十年代初，PerkinElmer 公司成功研制了世界上第一個(gè)單光子雪崩二極管[4]。這種 SPAD 通過被動(dòng)淬滅的方式實(shí)現(xiàn)雪崩淬滅，即利用與 pn 結(jié)串聯(lián)電阻的負(fù)反饋效應(yīng)來淬滅雪崩過程。被動(dòng)淬滅模式通常需要較長的恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致 SPAD 的計(jì)數(shù)速率通常低于 100kHz，現(xiàn)在也是如此。后來人們提出了主動(dòng)淬滅模式，使得雪崩建立時(shí)間、淬滅時(shí)間以及恢復(fù)時(shí)間大幅縮短，可以實(shí)現(xiàn)超過 1MHz 的計(jì)數(shù)速率[5]。但是主動(dòng)淬滅電路單元數(shù)量多，對填充因子損耗較大且不易大規(guī)模集成。Radiation Monitor Devices Inc. (RMD) 公司制備了世界上首個(gè) SPAD 陣列，用于探測切倫科夫內(nèi)反射光[6]。該陣列包含 6×14 個(gè)單元面積為 150μm2的 SPAD，每個(gè)SPAD 配備一個(gè)主動(dòng)淬滅電路。大約在 1990 年左右，俄羅斯研究人員發(fā)明了一種 MRS 結(jié)構(gòu)的 SiPM。該種結(jié)構(gòu)
圖 1-3 MRS 型 SiPM 的兩種典型結(jié)構(gòu)。上圖來自 Antich 等人[7]，下圖來自 Saveliev 和 Golovin[8]圖 1-3（上）這種結(jié)構(gòu)的雪崩區(qū)是連通的，存在著不可避免的電學(xué)串?dāng)_，使得其光子數(shù)分辨能力較差。圖 1-3（下）是經(jīng)過改進(jìn)后的針狀 pn 結(jié)的 MRS 結(jié)構(gòu),每個(gè) pn結(jié)實(shí)際上就是一個(gè) SPAD 單元，另外該結(jié)構(gòu)還在光敏區(qū)上方覆蓋有抗反射層。隨之而來的 SiPM 結(jié)構(gòu)是對 MRS 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。上世紀(jì)九十年代后期，Golovin[9]和 Sadygov[10]將 MRS 型 SiPM 縱向分割開來，也就是將多個(gè) SPAD 并聯(lián)在一起，每一個(gè) SPAD 串聯(lián)有單獨(dú)的淬滅電阻。這種結(jié)構(gòu)可以有效地抑制各 SPAD 之間的電耦合，網(wǎng)狀的電極可以提高量子效率，而且其制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)的 MOS 工藝兼容。下圖為 Sadygov 提出的結(jié)構(gòu)：
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]CMOS自對準(zhǔn)硅化鈦工藝研究[J]. 崔偉,張正璠. 微電子學(xué). 1999(06)
[2]硅化物/硅歐姆接觸特性研究[J]. 張國炳,武國英,陳文茹,徐立,郝一龍,隋小平,王陽元. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 1993(05)
[3]快速熱退火硅中微缺陷分析[J]. 徐立,錢佩信,李志堅(jiān). 半導(dǎo)體學(xué)報(bào). 1993(08)
[4]砷注入硅快速熱退火缺陷的HVEM觀察[J]. 李永洪,袁建明,徐立,錢佩信,李志堅(jiān). 電子顯微學(xué)報(bào). 1988(03)
本文編號：3539713
【文章來源】：華中科技大學(xué)湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：80 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
APD與SPAD工作原理示意圖
圖 1-2 第一代硅光電探測器。左邊為 Haitz 的模型[2]，右邊為 McIntyre 的模型[3]上世紀(jì)七十年代初，PerkinElmer 公司成功研制了世界上第一個(gè)單光子雪崩二極管[4]。這種 SPAD 通過被動(dòng)淬滅的方式實(shí)現(xiàn)雪崩淬滅，即利用與 pn 結(jié)串聯(lián)電阻的負(fù)反饋效應(yīng)來淬滅雪崩過程。被動(dòng)淬滅模式通常需要較長的恢復(fù)時(shí)間，導(dǎo)致 SPAD 的計(jì)數(shù)速率通常低于 100kHz，現(xiàn)在也是如此。后來人們提出了主動(dòng)淬滅模式，使得雪崩建立時(shí)間、淬滅時(shí)間以及恢復(fù)時(shí)間大幅縮短，可以實(shí)現(xiàn)超過 1MHz 的計(jì)數(shù)速率[5]。但是主動(dòng)淬滅電路單元數(shù)量多，對填充因子損耗較大且不易大規(guī)模集成。Radiation Monitor Devices Inc. (RMD) 公司制備了世界上首個(gè) SPAD 陣列，用于探測切倫科夫內(nèi)反射光[6]。該陣列包含 6×14 個(gè)單元面積為 150μm2的 SPAD，每個(gè)SPAD 配備一個(gè)主動(dòng)淬滅電路。大約在 1990 年左右，俄羅斯研究人員發(fā)明了一種 MRS 結(jié)構(gòu)的 SiPM。該種結(jié)構(gòu)
圖 1-3 MRS 型 SiPM 的兩種典型結(jié)構(gòu)。上圖來自 Antich 等人[7]，下圖來自 Saveliev 和 Golovin[8]圖 1-3（上）這種結(jié)構(gòu)的雪崩區(qū)是連通的，存在著不可避免的電學(xué)串?dāng)_，使得其光子數(shù)分辨能力較差。圖 1-3（下）是經(jīng)過改進(jìn)后的針狀 pn 結(jié)的 MRS 結(jié)構(gòu),每個(gè) pn結(jié)實(shí)際上就是一個(gè) SPAD 單元，另外該結(jié)構(gòu)還在光敏區(qū)上方覆蓋有抗反射層。隨之而來的 SiPM 結(jié)構(gòu)是對 MRS 結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。上世紀(jì)九十年代后期，Golovin[9]和 Sadygov[10]將 MRS 型 SiPM 縱向分割開來，也就是將多個(gè) SPAD 并聯(lián)在一起，每一個(gè) SPAD 串聯(lián)有單獨(dú)的淬滅電阻。這種結(jié)構(gòu)可以有效地抑制各 SPAD 之間的電耦合，網(wǎng)狀的電極可以提高量子效率，而且其制備工藝與標(biāo)準(zhǔn)的 MOS 工藝兼容。下圖為 Sadygov 提出的結(jié)構(gòu)：
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]CMOS自對準(zhǔn)硅化鈦工藝研究[J]. 崔偉,張正璠. 微電子學(xué). 1999(06)
[2]硅化物/硅歐姆接觸特性研究[J]. 張國炳,武國英,陳文茹,徐立,郝一龍,隋小平,王陽元. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 1993(05)
[3]快速熱退火硅中微缺陷分析[J]. 徐立,錢佩信,李志堅(jiān). 半導(dǎo)體學(xué)報(bào). 1993(08)
[4]砷注入硅快速熱退火缺陷的HVEM觀察[J]. 李永洪,袁建明,徐立,錢佩信,李志堅(jiān). 電子顯微學(xué)報(bào). 1988(03)
本文編號：3539713
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