低过偏压下高增益单光子雪崩二极管的设计与验证

作者：易荣清; 汪洋; 曹智祥; 金湘亮^*

来源：光学学报, 2023, 43(23): 155-162.

• 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

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/μm2。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。

• 单位
  湖南师范大学