基于共用深n阱結(jié)構(gòu)的高密度單光子雪崩二極管探測器研究與設(shè)計.pdf

1、隨著探測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域需要高速探測和處理極弱的高頻光信號。各種新型的材料以及探測手段已經(jīng)被運用到微弱信號的探測中。其中，單光子雪崩二極管（SPAD）以其高響應(yīng)速度、高靈敏度、高增益系數(shù)等優(yōu)點而備受關(guān)注。SPAD陣列探測器更以其響應(yīng)速度快、功耗低、探測效率高等特點而成為全固態(tài)光電探測和成像技術(shù)新的典型應(yīng)用和發(fā)展方向。目前，SPAD陣列的發(fā)展難點主要在于如何在不影響其性能的前提下，降低陣列面積，提高陣列填充系數(shù)，本文將針對該問題

2、進(jìn)行深入研究。
　　首先，在SPAD器件方面，本文基于0.18μm CMOS工藝設(shè)計了一種高填充系數(shù)的SPAD器件結(jié)構(gòu)。該SPAD器件采用共用深n阱的結(jié)構(gòu)，即：將四個基本SPAD單元制作在同一個深n阱內(nèi)，并進(jìn)行蜂窩狀排列，能夠在不影響SPAD器件性能的前提下，縮小每個SPAD器件尺寸。該結(jié)構(gòu)極大得提高SPAD器件的填充系數(shù)，經(jīng)計算，這種共用深n阱的新型SPAD器件結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)高達(dá)57％。
　　其次，在像素單元電路方面，本文

3、設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)緊湊的門控式淬滅/復(fù)位電路和一個新的基于威爾遜電流鏡的模擬計數(shù)電路。該像素單元電路能夠在保證電路性能的前提下將所占用的芯片面積降到最低。其中門控式淬滅/復(fù)位電路只用到了8個小尺寸的MOS管就可以實現(xiàn)對SPAD的快速淬滅和復(fù)位。而基于威爾遜電流鏡的模擬計數(shù)電路能夠在計數(shù)電容取到500fF時，實現(xiàn)9比特的線性計數(shù)范圍。
　　最后，在陣列版圖布局方面，本文提出了一個嵌入式的陣列版圖設(shè)計方案。該方案將上述設(shè)計的淬滅/復(fù)位電路