SOI基横向多电荷层SACM雪崩光电二极管的设计与研究

摘要

光电检测是光通信、光存储、光探测的核心技术。随着通信技术的发展，人们逐渐追求能够探测到光子级别的微弱光的探测器，单光子检测技术因此应运而生，并在国防安全，社会经济和工业生产等领域占据重要地位，成为了国内外科研工作者的研究热点。在众多单光子探测器中，使用雪崩光电二极管制作的单光子雪崩探测器因其内部增益大，噪声低、灵敏度高，能够与现有CMOS工艺兼容、集成度高的优点，成为了单光子检测中的主流。 本文基于SOI CMOS工艺设计一种横向结构多电荷层的SACM APD(Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photo Detector)器件，采用吸收区与倍增区分离的SACM结构，因此吸收区中的光生载流子只有电子能到达倍增区发生碰撞电离，实现了单种载流子雪崩，降低雪崩噪声。并在吸收区和倍增区之间加入阶梯掺杂电荷层，从而改善了吸收区与倍增区的电场，加大载流子的漂移速度，提高频率响应，有效解决雪崩电压与频率响应之间的矛盾。横向结构可以忽略曲率效应，并能有效解决响应度与频率响应之间的矛盾。 首先，采用Silvaco ATLAS仿真器对器件的I-V特性和频率响应进行模拟仿真。得出器件的雪崩电压为8.2V，在波长为400nm，光强为0.001W/cm2时，当反向偏压为8.2V时，器件的响应度可达160.4A/W，在9.5V反向偏压下，器件的截止频率可达10GHz。 其次，采用Silvaco ATHENA仿真器对设计的器件进行工艺仿真，得出了合理有效的工艺步骤，并使用ATLAS仿真器对工艺实现后的器件的I-V特性进行仿真，得到的器件雪崩电压与软件建模的雪崩电压存在1V的偏差。 最后，设计了一种有源淬火电路和读数电路并完成了版图设计，电路的死时间为7ns，最大光子计数率约为150Mcps。

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．3研究意义

1．4论文结构

第二章工作原理与特性分析

2．1雪崩光电二极管的工作原理

2．2 APD的碰撞电离与倍增噪声

2．3碰撞电离的局域模型与非局域模型

2．4 SPAD的性能参数

2．5 SPAD盖革模式工作原理

2．6 SPAD的淬火电路

2．6．1无源淬火电路

2．6．2有源淬火电路

2．6．3门控淬火电路

2．7 Silvaco仿真软件介绍

2．8微电子工艺原理

2．9本章小结

3．1结构设计

3．2雪崩电压

3．3光暗电流

3．4频率特性

3．5本章小结

第四章工艺仿真与特性研究

4．1工艺实现

4．2雪崩电压

4．3本章小结

第五章淬火电路设计

5．1系统设计

5．2读数电路

5．3淬火电路

5．4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

附录