面向三维成像的单光子雪崩二极管及像素电路的研究

摘要

三维成像系统的应用领域极其广泛，个人消费电子、汽车电子、游戏娱乐、工业生产、生物医疗、科学研究、国防军事等都有涉及。但目前三维成像系统存在体积大、价格高、不便携、难操作等劣势极大的限制了其应用。为了使三维成像系统小型化、可便携、低成本，采用单芯片集成是最佳的选择方案之一。对于单芯片集成三维成像系统，最核心的问题是设计基于标准CMOS工艺的单光子雪崩二极管，并设计合适的像素读出电路。
　　本文分析了CMOS单光子雪崩二极管的技术难点，基于旺宏0.5um标准CMOS工艺设计了单光子雪崩二极管的结构，并通过数值仿真、器件仿真和流片测试进行了验证；对单光子雪崩二极读出电路、三维像素电路进行了分析与设计，并经仿真后流片。具体工作如下：
　　1、分析研究了单光子雪崩二极管的工作原理、工作性能及工作模式。先阐述了单光子雪崩二极管的工作机制与条件；接着对单光子雪崩二极管的性能参数进行了分析，包括光子探测率、暗计数率、死时间、后脉冲、时间分辨率等；结合单光子雪崩二极的工作原理，分析了在被动、主动、门模式电路下单光子雪崩二极管的工作性能。
　　2、结合标准CMOS工艺，分析了制作CMOS单光子雪崩二极管的难点，利用标准CMOS工艺的层次设计了单光子雪崩二极管新的器件结构，解决了边缘过早击穿的问题，使得CMOS电路的低电压与单光子雪崩二极管工作的高电压兼容。提出了单光子雪崩二极管蜂窝阵列结构。建立单光子雪崩二极管的数值仿真模型，分析了雪崩淬灭、瞬态响应等。采用TCAD器件仿真工具Atlas进行了边缘过早击穿抑制的验证。对单光子进行了版图设计、投片试制与光电测试，结果表明光谱响应峰值在460nm，雪崩脉冲响应明显。
　　3、研究了可用于CMOS工艺完全集成的单光子雪崩二极管的读出电路。对单管被动淬灭-被动恢复像素电路，双阈值被动淬灭-主动恢复电路进行了分析、仿真验证，其特点在于像素结构简单，晶体管数目少，电路紧凑；分析设计了片上可测深度距离信息的全差分三维像素电路，包括全差分运算放大器、开关电容反馈电路、光电探测器等电路。对各电路进行了其仿真验证，其中全差分OTA增益为73dB，相位裕度为62°；像素输出线性度高。最终对其进行版图设计与流片。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 单光子光电探测器件的研究与发展

1.3 本文的主要研究内容

第2章 SPAD的基本理论

2.1 SPAD工作原理

2.2 SPAD的性能参数

2.3 SPAD的工作电路

2.4 本章小结

第3章 CMOS工艺单光子雪崩二极管结构与设计

3.1 单光子雪崩二极管结构

3.2 器件模型与数值仿真

3.3 Silvaco TCAD器件仿真

3.4 测试结果与分析

3.5 本章小结

第4章 像素电路

4.1 单管被动淬灭-被动恢复像素电路

4.2 双阈值被动淬灭-主动恢复像素电路

4.3 全差分像素电路FDP

4.4 本章小结

第5章 结束语

参考文献

致谢

个人简历

在校期间发表的学术论文及研究成果