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随着单光子探测技术的不断发展,传统的雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode,APD)和光电倍增管(Photomultiplier Tubes,PMT)已经不能精确地探测出单光子信号。为此,研究人员提出了一种盖革模式下的APD,称为单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)。SPAD拥有低功耗、高灵敏度、低噪声的特点,并且采用CMOS工艺制作的SPAD器件能够较好地兼容读出电路。因此,CMOS SPAD成为制作单光子探测器的最佳选择。本文基于标准的0.18μm CMOS工艺设计了一种SPAD器件的基本结构。该结构采用p+/center n-well结作为器件的雪崩区,同时利用三个相邻n阱之间的横向扩散在pn结边缘形成n~-虚拟保护环,用来抑制器件过早边缘击穿。其次对SPAD基本结构建立了等效电路模型,并通过分析等效电路的频率响应,确定限制器件频率带宽的主要因素。其仿真结果如下:当n-well gap虚拟保护环宽度为1.4μm、光窗口直径为20μm时,得到SPAD的雪崩击穿电压为14 V;在波长500 nm时响应度达到峰值为0.22 A/W;在波长为480 nm时光子探测效率达到峰值为23%;在过偏压1 V时暗计数率为4.1 kHz。由于设计的SPAD器件的暗计数率过高,为此提出了p-well/center n-well型和p-well/deep retrograde n-well型两种低暗计数率的SPAD器件。p-well/center n-well型SPAD器件是在SPAD基本结构的基础上插入一层p阱,p阱位于p+层与中心n阱之间。p-well/deep retrograde n-well型SPAD器件则采用P阱作为器件的阳极,逆掺杂分布的深n阱作为器件的光子吸收区。两种SPAD器件都是通过增加器件结构的耗尽层厚度来降低载流子发生带间隧穿的概率,从而在本质上降低了器件的暗计数率。采用TCAD Silvaco仿真软件对提出的两种低暗计数率的SPAD器件进行了性能分析。p-well/center n-well型SPAD器件的仿真结果如下:器件在反向偏置电压为13 V左右时发生雪崩击穿,发生击穿时pn结中心电场分布均匀且最高电场强度达到6.73×10~5 V/cm;在光波长为500 nm时,响应度达到峰值为0.35 A/W;在过偏压1 V且光波长为480 nm时,光子探测效率为37%;在过偏压1 V时,暗计数率达到0.82 kHz。p-well/deep retrograde n-well型SPAD的性能如下:器件的雪崩击穿电压为9 V,且发生雪崩击穿时的最大电场强度达到6.82×10~5 V/cm;响应度在波长为500 nm处达到峰值为0.28 A/W;在过偏压1 V时,探测效率和暗计数率分别为33%和0.66 kHz。为了减少后脉冲对暗计数率的影响,设计了p-well/deep retrograde n-well型SPAD器件的外围被动淬灭电路。采用Pspice电路仿真软件对淬灭电路进行了瞬态特性分析,仿真结果表明SPAD的死时间约为17 ns。