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近年来,可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术迅速发展,使其应用关注度与日俱增。VLC是利用可见光作为信息载体,能够在空气中直接传输光信号并在接收端完成光电转换的技术。可见光通信速度每秒可达数百兆,并具有非常广阔的应用前景。与射频通信系统相比,VLC收发器具有更好的抗电磁干扰(EMI)能力,可在封闭环境中提供安全通信,同时在可见光(450-650nm)内实现免许可操作。由于VLC系统传输中有高路径损耗,从而使其接收端的光接收信号功率较低,因此需要高响应度光电探测器。采用低噪声、高带宽的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)APD(Avalanche Photodiode)充当半导体光电探测器,可降低整个系统的信噪比和比特出错概率。本文采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了一种应用于可见光通信的CMOS APD的结构。该器件的基本结构为N+/P阱单窗口。P阱中的光生电子载流子向N+层漂移,其主要利用自身较光生空穴载流子快的漂移速度,缩短载流子渡越时间,因此能提高器件带宽性能。同时,在该APD器件中PN结两侧设计了浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation,STI)保护环结构,其作用是消除衬底中扩散的光生载流子,以保证高带宽。在工作电压-11.5V下,该器件具有高带宽和易于与电子电路集成的特点,但存在带宽低频部分不稳定、增益较低的缺点。其次,本文对器件结构和相关工艺参数进行了优化设计。具体开展了以下几个方面的改进:首先,通过将最初设计的单光窗口结构变为双窗口结构,光窗口尺寸的增大使得了器件的有效光接收面积增加,提高了器件的接收灵敏度。然后,保留PN结两端外的STI保护环,去掉P+与N+间STI保护环结构,从而提高雪崩层中光电流,并降低了雪崩击穿电压数值。最后,调节N+、P阱浓度使耗尽层厚度增加,同时增加深N阱设置,并对P阱和P衬底的慢扩散载流子短接,最终避免带宽低频部分抖动和带宽降低。通过上述方法有效地提高了该器件的整体光电探测性能。对优化后的CMOS APD进行仿真分析,结果表明CMOS APD的雪崩击穿电压明显提高。该初始器件结构的雪崩击穿电压由-12V提高至-9.9V。在0.01W/cm~2的入射光照射下,器件响应度在600nm处达到1.2A/W的峰值,同时在可见光波长范围内的响应度均高于优化前的响应度0.7A/W,因此故可选择633nm激光光源作为工作波长。在600nm的工作波长处,低频带宽处未出现抖动,最大带宽达8.4GHz,则3d B带宽为5.9 GHz。在该工作波长处的增益和额外噪声因子分别为10和2.5,相较于优化前的增益有所提高,额外噪声因子有所降低。