论文部分内容阅读
单光子探测传感技术在国防安全的建设发展、工业技术的推动促进以及人民生活的提高改善上都有着比较广泛的应用前景和发展潜力。到目前为止,单光子探测传感技术主要用在共聚焦显微镜成像、生物序列的检测、离子探测、量子保密通信、DNA序列结构分析、激光雷达探测、天体物理学中的自适应光学以及极微光成像等。单光子雪崩光电二极管正是进行单光子探测的核心结构,因为工作在盖革模式下的单光子雪崩光电二极管和雪崩光电二极管阵列具有探测单光子的能力,所以基于标准CMOS工艺技术的单光子雪崩光电二极管的研究越来越受到国内外光电探测领域的科研人员的关心和重视。第一,对单光子雪崩光电二极管的量子效率、边缘效应和死时间等性能参数进行全面的分析和研究,并且对SPAD的三种淬灭模式(源淬灭模式、有源淬灭模式和门控淬灭模式)进行分析和比较,得出各自的优缺点。第二,提出了一种基于0.58um CMOS工艺以p+/n-为中心有源区域的单光子雪崩光电二极管结构,在提出单光子雪崩光电二极管的结构中以p-well作为扩散保护环、p-区域作为浮动保护环,浮动保护环被放置到扩散保护环的外侧,利用双保护环来避免单光子雪崩光电二极管的边缘效应。论文使用Silvaco公司生产的Silvaco Atlas 5.20.2 R半导体器件仿真工具对所提出的单光子雪崩光电二极管的结构、V—I特性曲线、暗电流、电场强度的分布、光生雪崩电流、碰撞产生率、雪崩发生率,量子效率等参数进行全面仿真。通过仿真验证了所设计的单光子雪崩光电二极管的结构达到了预先设定的要求,能够进行单光子的探测。为了体现出本文所设计的SPAD结构的良好性能,所以把设计的SPAD结构与其它三种SPAD结构(带有虚拟保护环的SPAD结构、带有扩散保护环的SPAD结构和带有浮动保护环的SPAD结构)进行对比,通过理论推到和仿真验证说明了设计的单光子雪崩光电二极管能够更好的避免SPAD的边缘效应和增加保护环边缘能够承受的最大偏置电压(30.51V)。第三,对SPAD淬灭复位电路进行设计和优化,同时完成了对SPAD电路等效模型和延迟保持电路的设计。在电路仿真方面,利用Cadence OrCAD 16.5仿真软件对整个淬灭复位电路进行了仿真,通过仿真结果可以得到所设计的淬灭恢复电路可以把SPAD的死时间控制到5.8ns左右,减少了SPAD的死时间,提高了SPAD的探测频率。在版图绘制方面,采用Tanner L—Edit版图绘制软件完成了对SPAD像素单元的版图绘制。