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文檔簡介
1、蓋革模式下的單光子雪崩二極管(SPAD)陣列兼具單光子信號探測和皮秒量級的時間相關(guān)性,現(xiàn)在已經(jīng)開始應用于一些重要的科學領域,例如物理學,化學,生物學,航天學等。在與現(xiàn)代納米CMOS工藝相結(jié)合的設計和制造中,能夠在一整塊芯片上直接集成光子探測器、單元電路和外圍讀出電路等。在應用于高速弱光環(huán)境下的探測時,需要著力提高器件性能、減小噪聲、提高芯片集成度。本文在SMIC0.18μm工藝下設計了一個128×128的全集成高密度單光子雪崩二極管陣列
2、探測器。
第一,設計了一種采用虛擬保護環(huán)結(jié)構(gòu)和淺溝槽隔離的SPAD器件,使有源區(qū)直徑降到5μm,整個器件直徑降到11μm以下,觀察其電場分布和摻雜濃度分布,雪崩電壓,內(nèi)部場強分布,證明了其適合小尺寸的設計。并且這種結(jié)構(gòu)能夠避免重摻雜引起的帶帶隧穿和暗計數(shù)率,材料缺陷引起的后脈沖,能夠減少邊緣效應同時將耗盡層的位置拉低,增加雪崩區(qū)深度,提高光子的探測效率。
第二,設計了一個高度集成的像素單元電路,包括能夠在3.5 ns
3、內(nèi)完成淬滅復位電路和一種超小規(guī)模的模擬計數(shù)電路,這個方案能夠很好的折中速率和占用面積的影響,在電容取到150 fF時采用對數(shù)計數(shù)可達到105數(shù)量級的計數(shù)范圍,而線性計數(shù)也可達到103數(shù)量級,采用一種交叉式電容嵌入到圓形SPAD陣列中,像素單元占空比得到顯著提高。
第三,設計了一種采用成熟的CMOS-APS陣列架構(gòu)和列并行處理方式的SPAD陣列,其中128列地址總線中8路共用一個多路復用器將像素數(shù)據(jù)輸入到后級電路,利用相關(guān)雙采樣
4、電路在無光和有光的環(huán)境中分別采樣相減,得到一個純凈并且能夠直接反映入射光的模擬信號。設計了格雷碼電路和譯碼電路控制實現(xiàn)128路行列字線的選擇,并在最后設計了一個1MS/s8-bit的低電壓、低功耗的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
綜上,本文首次采用成熟CMOS-APS陣列架構(gòu)實現(xiàn)SPAD陣列二維成像,并且所設計的圓形SPAD在采用了虛擬保護環(huán)結(jié)構(gòu)后能將直徑降低到11μm。不同于以往的數(shù)字計數(shù)電路做在外圍電路中,本文使用了主動快速淬滅電
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