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Study of the influence of virtual guard ring width on the performance of SPAD detectors in 180 nm standard CMOS technology
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作者 Danlu Liu Ming Li +3 位作者 Tang Xu Jie Dong Yuming Fang Yue Xu 《Journal of Semiconductors》 EI CAS CSCD 2023年第11期83-88,共6页
The influence of the virtual guard ring width(GRW)on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode(SPAD)in a 180 nm standard CMOS process was investigated.TCAD simulation demonstrates that th... The influence of the virtual guard ring width(GRW)on the performance of the p-well/deep n-well single-photon avalanche diode(SPAD)in a 180 nm standard CMOS process was investigated.TCAD simulation demonstrates that the electric field strength and current density in the guard ring are obviously enhanced when GRW is decreased to 1μm.It is experimentally found that,compared with an SPAD with GRW=2μm,the dark count rate(DCR)and afterpulsing probability(AP)of the SPAD with GRW=1μm is significantly increased by 2.7 times and twofold,respectively,meanwhile,its photon detection probability(PDP)is saturated and hard to be promoted at over 2 V excess bias voltage.Although the fill factor(FF)can be enlarged by reducing GRW,the dark noise of devices is negatively affected due to the enhanced trap-assisted tunneling(TAT)effect in the 1μm guard ring region.By comparison,the SPAD with GRW=2μm can achieve a better trade-off between the FF and noise performance.Our study provides a design guideline for guard rings to realize a low-noise SPAD for large-array applications. 展开更多
关键词 single-photon avalanche diode(SPAD) virtual guard ring dark count rate(DCR) photon detection probability(PDP) afterpulsing probability(AP)
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Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响
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作者 郭可飞 尹飞 +8 位作者 刘立宇 乔凯 李鸣 汪韬 房梦岩 吉超 屈有山 田进寿 王兴 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期184-194,共11页
对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研... 对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真,得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响,研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现,当深扩散深度为2.3μm固定值时,浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深,相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大,电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时,会发生倍增区外的非理想击穿,导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大,倍增区中心部分雪崩击穿概率越大,而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下,浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响,但深扩散Zn掺杂浓度越高,相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。 展开更多
关键词 雪崩光电二极管 INGAAS/INP ZN扩散 单光子探测 雪崩击穿概率
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空穴主导雪崩倍增的短波长SiC紫外单光子探测器
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作者 苏琳琳 杨成东 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第18期227-231,共5页
制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管(APDs)雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比,在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程,随着入... 制备并分析了SiC nip雪崩光电二极管(APDs)雪崩倍增的物理机制。与280 nm紫外光相比,在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现出更高的增益和更大的单光子探测效率。在240 nm紫外光入射时,SiC nip APD表现为空穴主导碰撞离化过程,随着入射光波长增加到280 nm,电子和空穴共同主导碰撞离化过程。由于SiC中空穴的碰撞离化系数大于电子,空穴主导的碰撞离化过程将具有更大的光子雪崩概率和更高的增益。因此,得益于空穴主导雪崩倍增过程,SiC nip APD更适用于短波长紫外光探测。 展开更多
关键词 激光器 SIC 雪崩光电二极管 深紫外光探测 光子雪崩概率
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一种低暗计数率P-I-N结构的单光子雪崩二极管探测器 被引量:1
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作者 李峥 刘丹璐 +2 位作者 董杰 卞大井 徐跃 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期25-30,共6页
基于180 nm BCD工艺制备出一种P型注入增强型P-I-N结构的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器。采用P型漂移区与高压N+埋层之间的低掺杂浓度P型外延层作为I层深结雪崩区,提高了近红外波段的光子探测概率(PDP)。利用低掺杂浓度的P型外延层作为... 基于180 nm BCD工艺制备出一种P型注入增强型P-I-N结构的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器。采用P型漂移区与高压N+埋层之间的低掺杂浓度P型外延层作为I层深结雪崩区,提高了近红外波段的光子探测概率(PDP)。利用低掺杂浓度的P型外延层作为虚拟保护环,防止了器件横向击穿,降低了暗计数率(DCR)。测试结果表明,虚拟保护环宽度(GRW)为5μm时,器件雪崩电压为56 V。在5 V过偏压下600 nm处的峰值PDP为41%,在901 nm的近红外波段下PDP大于6%,DCR为0.56 s^(-1)·μm^(-2),后脉冲率小于1.2%,表现出良好的电学和光学特性。所提出的SPAD器件为硅基高灵敏度近红外单光子探测器设计提供了一种可选的解决方案。 展开更多
关键词 探测器 单光子雪崩二极管(SPAD) P-I-N结构 光子探测概率(PDP) 暗计数率(DCR)
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双波峰响应CMOS单光子探测器的设计与优化 被引量:4
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作者 张维宇 汪洋 金湘亮 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第17期18-23,共6页
随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这... 随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这一问题,设计了一种分别在可见光区和红外光区响应的双波峰SPAD。为确保该器件能实现预期的功能,首先利用半导体工艺器件仿真软件(TCAD)来验证该器件的合理性,再通过搭建外部淬灭电路来测试SPAD的各项性能参数。测试结果显示,该器件的雪崩击穿电压为12.75 V。在22℃的室温条件下(过偏压为0.5 V),SPAD的光子探测概率在520 nm处达到32%,在840 nm处达到12%。此外,当过偏压为1 V时,其暗计数率(DCR)为1 kHz。因此,该SPAD能够实现对可见光及近红外光的双波峰探测,并且将DCR控制在一个较低的范围内。 展开更多
关键词 单光子雪崩光电二极管 极弱光探测 雪崩击穿电压 光子探测概率 暗计数率
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室温下高探测效率InGaAsP/InP单光子雪崩二极管
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作者 祁雨菲 王文娟 +5 位作者 孙京华 武文 梁焰 曲会丹 周敏 陆卫 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期1-6,共6页
描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD),该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增(SAGCM)异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率(PDE)为70%,暗计数率(DCR)为14.93 kHz,后脉冲... 描述了一种高性能平面InGaAsP/InP单光子雪崩二极管(SPAD),该二极管具有单独的吸收、分级、电荷和倍增(SAGCM)异质结构。通过电场调节和缺陷控制,SPAD在293 K的门控模式下工作,光子探测效率(PDE)为70%,暗计数率(DCR)为14.93 kHz,后脉冲概率(APP)为0.89%。此外,在死区时间为200 ns的主动淬灭模式下工作时,室温下实现了12.49%的PDE和72.29 kHz的DCR。 展开更多
关键词 单光子雪崩二极管 暗计数率 光子探测效率 后脉冲概率
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基于APD参数建模的单光子探测研究 被引量:3
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作者 艾青 万钧力 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第2期219-224,共6页
针对单光子雪崩光电二极管(SPADs)的单光子量子效率(SPQE),提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3μm和1.5μm的In_(0.52)Al_(0.48)As、InP倍增层和In_(0.52)Al_(0.48)As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作... 针对单光子雪崩光电二极管(SPADs)的单光子量子效率(SPQE),提出了一种严格的数学模型。模型适用于工作波长为1.3μm和1.5μm的In_(0.52)Al_(0.48)As、InP倍增层和In_(0.52)Al_(0.48)As-InP异质结倍增层的SPADs。模型作为器件结构、工作电压、倍增层材料的函数,可用来优化SPQE,进而评估和优化盖革模式下APDs的性能。 展开更多
关键词 光电子学 单光子量子效率 雪崩概率 暗计数 雪崩光电二极管
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一种改进型单光子雪崩二极管探测概率模型及验证 被引量:2
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作者 曹智祥 曾美玲 +1 位作者 杨健 金湘亮 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期230-237,共8页
基于半导体工艺器件仿真软件和Matlab编程,对光子探测概率(PDP)进行了建模和实验表征。进一步考虑器件表面二氧化硅薄膜的光透射性,可以准确预测单光子雪崩二极管(SPAD)的性能。将模拟结果与采用0.18μm标准双极-互补金属氧化物半导体-... 基于半导体工艺器件仿真软件和Matlab编程,对光子探测概率(PDP)进行了建模和实验表征。进一步考虑器件表面二氧化硅薄膜的光透射性,可以准确预测单光子雪崩二极管(SPAD)的性能。将模拟结果与采用0.18μm标准双极-互补金属氧化物半导体-双重扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺设计和加工的SPAD的结果进行比较。结果显示,PDP的预测结果与实验结果之间具有良好的一致性,平均误差为1.72%。该模型可以减少商用器件仿真软件中存在的不收敛问题,极大减少了开发SPAD器件新结构所需的时间和成本。 展开更多
关键词 光电子学 单光子雪崩二极管 薄膜透射 光子探测概率 Matlab建模
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p-well/DNW单光子雪崩二极管保护环的最小化设计(英文) 被引量:3
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作者 杨红姣 金湘亮 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期527-532,共6页
为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0. 18μm CMOS图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well) SPAD的保护环尺寸进行设计,并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明,保护环尺寸减小到0. 4μm仍然能有效防止器件发生过早边... 为了进一步缩小SPAD探测器的尺寸,基于0. 18μm CMOS图像传感器(CIS)工艺对p-well/DNW(deep n-well) SPAD的保护环尺寸进行设计,并制造了不同保护环尺寸的SPAD器件.测试结果表明,保护环尺寸减小到0. 4μm仍然能有效防止器件发生过早边缘击穿(PEB),且保护环尺寸对p-well/DNW SPAD器件的暗计数率(DCR)和光子探测概率(PDP)影响较小.直径为20μm的SPAD器件,温度为25℃时暗计数率为638 Hz,且波长为530 nm时峰值光子探测概率为16%,具有低的暗计数率特性和宽的光谱响应特性. 展开更多
关键词 单光子雪崩二极管(SPAD) 保护环 边缘击穿(PEB) 暗计数率(DCR) 光子探测概率(PDP)
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Numerical analysis of In_(0.53) Ga_(0.47) As/InP single photon avalanche diodes
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作者 周鹏 李淳飞 +2 位作者 廖常俊 魏正军 袁书琼 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2011年第2期561-567,共7页
A rigorous theoretical model for Ino.53Gao.47As/InP single photon avalanche diode is utilized to investigate the dependences of single photon quantum efficiency and dark count probability on structure and operation co... A rigorous theoretical model for Ino.53Gao.47As/InP single photon avalanche diode is utilized to investigate the dependences of single photon quantum efficiency and dark count probability on structure and operation condition. In the model, low field impact ionizations in charge and absorption layers are allowed, while avalanche breakdown can occur only in the multiplication layer. The origin of dark counts is discussed and the results indicate that the dominant mechanism that gives rise to dark counts depends on both device structure and operating condition. When the multiplication layer is thicker than a critical thickness or the temperature is higher than a critical value, generation-recombination in the absorption layer is the dominative mechanism; otherwise band-to-band tunneling in the multiplication layer dominates the dark counts. The thicknesses of charge and multiplication layers greatly affect the dark count and the peak single photon quantum efficiency and increasing the multiplication layer width may reduce the dark count probability and increase the peak single photon quantum efficiency. However, when the multiplication layer width exceeds 1 μm, the peak single photon quantum efficiency increases slowly and it is finally saturated at the quantum efficiency of the single photon avalanche diodes. 展开更多
关键词 single photon avalanche diodes gate-mode single photon quantum efficiency dark count probability
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一种宽光谱响应的双结单光子雪崩二极管
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作者 刘丹璐 董杰 +1 位作者 许唐 徐跃 《固体电子学研究与进展》 CAS 北大核心 2023年第5期424-429,共6页
基于180 nm BCD工艺提出了一种新型双结雪崩区的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器,采用N阱/高压P阱/N^(+)埋层结构形成了两个垂直堆叠的PN结,高压P阱和N^(+)埋层交界面形成较深的主雪崩区,增强对近红外短波光子的探测概率;同时,N阱/高压P... 基于180 nm BCD工艺提出了一种新型双结雪崩区的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器,采用N阱/高压P阱/N^(+)埋层结构形成了两个垂直堆叠的PN结,高压P阱和N^(+)埋层交界面形成较深的主雪崩区,增强对近红外短波光子的探测概率;同时,N阱/高压P阱之间形成浅的次雪崩区,实现对蓝绿光的高效探测,两结同时工作能够有效扩展器件的光谱响应范围。TCAD仿真结果表明,与传统的P阱/深N阱结构相比,双结SPAD器件在300~940 nm的宽光谱范围内有更高的光子探测概率,在800 nm近红外短波段探测概率达到了20.6%。在3 V过偏压下,暗计数率为0.8 kHz,后脉冲概率为3.2%。 展开更多
关键词 单光子雪崩二极管(SPAD) 双结雪崩区 光子探测概率(PDP) 暗计数率(DCR) 后脉冲概率(AP)
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STI埋层的高光电流和低暗计数率单光子雪崩二极管(英文) 被引量:2
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作者 金湘亮 彭亚男 +4 位作者 曾朵朵 杨红姣 蒲华燕 彭艳 罗均 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期149-153,共5页
研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isol... 研究和分析了一种0. 18μm CMOS工艺单光子雪崩二极管(SPAD),其结构能抑制过早的边缘击穿(PEB),同时获得较大的光电流和低的暗计数率(DCR).该SPAD由p-well/deep n-well的感光结,deep n-well向上扩散形成的区域和边缘Shallow Trench Isolation(STI)共同形成的保护环组成.通过测试确定了与光电流和暗率有关的STI层的大小.结果证明,在STI层与保护环之间的重叠区域为1μm时,SPAD的暗计数率和光电流最佳.此外,直径为10μm的圆形SPAD器件的暗计数率为208 Hz,且在波长为510 nm时峰值光子探测概率为20. 8%,此时具有低的暗计数率和高的探测效率以及宽的光谱响应特性. 展开更多
关键词 单光子雪崩二极管 边缘击穿 暗计数率 互补金属氧化物半导体 光子探测概率
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低过偏压下高增益单光子雪崩二极管的设计与验证
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作者 易荣清 汪洋 +1 位作者 曹智祥 金湘亮 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第23期147-154,共8页
单光子雪崩二极管(SPAD)可以检测到异常微弱的光信号,可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺,设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率(PDP)... 单光子雪崩二极管(SPAD)可以检测到异常微弱的光信号,可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺,设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率(PDP)的SPAD器件。该器件在440~740 nm范围内具有良好的光谱响应。采用半径为10μm的N+/P阱形成PN结作为感光区域,由N阱形成一个能有效防止边缘击穿的保护环。应用计算机技术辅助设计(TCAD)软件对SPAD的基本工作原理进行了定性分析,并通过建立的测试平台获得了设备的实际电气参数。测试结果表明,在1 V的过量偏置电压下,在480~660 nm的波长范围内,该器件可达到30%以上的PDP。在560 nm时,PDP峰值为42.7%,暗计数率为11.5 Hz/μm^(2)。最后通过设计VerilogA混合模型验证了器件的模拟结果和实测结果之间具有良好一致性。 展开更多
关键词 单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 光谱响应 VerilogA模型
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硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器
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作者 王帅康 刘丹璐 +4 位作者 陈前宇 韩冬 王嘉源 徐跃 曹平 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第20期20-29,共10页
基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间(dTOF)探测器。集成的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构,显著提高了对近红外光子的探测概率;采用低... 基于0.18μm BCD工艺实现了一种高灵敏度、低暗计数噪声的近红外单光子直接飞行时间(dTOF)探测器。集成的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器件采用新型的高压p阱/n+埋层作为深结雪崩倍增区的结构,显著提高了对近红外光子的探测概率;采用低掺杂的外延层作为虚拟保护环,有效减小了器件暗计数噪声。dTOF探测器读出电路采用三步式混合结构的时间数字转换器(TDC),获得了高时间分辨率和大动态范围。测试结果表明,SPAD器件在5 V过偏压下的光子探测概率(PDP)峰值达到45%,在905 nm近红外波长处的PDP大于7.6%,暗计数率(DCR)小于200 Hz。读出电路实现了130 ps的高时间分辨率和258 ns的动态范围,差分非线性度(DNL)和积分非线性度(INL)均小于±1 LSB(1 LSB=130 ps)。该dTOF探测器具有人眼安全阈值高、灵敏度高、噪声低和线性度好的优点,可应用于低成本、高精度的激光雷达测距系统。 展开更多
关键词 探测器 直接飞行时间 单光子雪崩二极管 光子探测概率 暗计数率 时间数字转换器
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基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管的盖革模式仿真
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作者 王成 孟丽娅 +1 位作者 王庆祥 闫旭亮 《半导体技术》 CAS CSCD 北大核心 2014年第4期279-284,共6页
采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和p阱保护环,使用SILVACO公司的ATLAS软件进行器件结构设计和仿真,得到了能正常工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)。仿真结果表明:设计的器件结构中p+/n-阱结降低了结附近的电场强度,并且低... 采用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺和p阱保护环,使用SILVACO公司的ATLAS软件进行器件结构设计和仿真,得到了能正常工作在盖革模式下的单光子雪崩二极管(SPAD)。仿真结果表明:设计的器件结构中p+/n-阱结降低了结附近的电场强度,并且低于平面pn结的电场强度,从而起到了抑制二极管发生边缘击穿的保护作用;电场强度和碰撞产生率呈正相关,并得出了电子、空穴的雪崩产生率与纵向位置的关系曲线及器件中某一个点处的电子雪崩产生率和偏置电压的关系曲线。仿真结果对基于CMOS工艺的SAPD结构设计具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 ATLAS软件 盖革模式 单光子雪崩二极管(SPAD) 电场强度 雪崩产生率
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