【摘 要】
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单光子雪崩二极管（SPAD）广泛应用于正电子发射断层扫描、激光雷达等单光子探测领域。本文旨在研究用于探测420nm波长光子的传统SPAD性能并且提出创新结构,目的是为了提高其光子探测效率。首先,本文分析了SPAD的主要性能,包括光子探测效率和时间抖动。考虑到雪崩过程和载流子运动的随机性,引入了硅的解析能带蒙特卡罗模型。在此基础上建立了适用于蒙特卡罗模型的光子探测效率和雪崩建立时间的计算方法和仿真模
【基金项目】
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基金委重大科研仪器专项:面向脑科学研究的多面体结构高性能分子成像仪器研制（编号:5162780033）；
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单光子雪崩二极管（SPAD）广泛应用于正电子发射断层扫描、激光雷达等单光子探测领域。本文旨在研究用于探测420nm波长光子的传统SPAD性能并且提出创新结构,目的是为了提高其光子探测效率。首先,本文分析了SPAD的主要性能,包括光子探测效率和时间抖动。考虑到雪崩过程和载流子运动的随机性,引入了硅的解析能带蒙特卡罗模型。在此基础上建立了适用于蒙特卡罗模型的光子探测效率和雪崩建立时间的计算方法和仿真模型,该模型同时考虑了雪崩扩散效应。其次,本文在传统SPAD的基础上,提出了一款用于探测420nm波长光子的新型三维鳍式SPAD。三维SPAD通过增加侧边雪崩结,从而增加光敏区的有效面积。利用SILVACO仿真软件,确定了在鳍高为1μm情况下,两个雪崩结之间击穿电压差最小为0.361V。将电场分布输入到建立的蒙特卡罗模型中,计算在1-3V过偏压下的光子探测效率和雪崩建立时间分布:3V过偏压下三维SPAD的光子探测效率为20%左右,较传统SPAD可以提高46.37%;雪崩建立时间的半高全宽为6ps左右,较采用传统结构、高浓度浅结的SPAD差46.55%,较具有传统结构、低浓度浅结的SPAD好70%左右。最后,本文设计了三维鳍式SPAD的工艺流程,本文采用了选择性外延作为主要工艺手段制造鳍。同时利用SILVACO仿真软件对工艺流程进行了仿真,工艺仿真结果显示,由于选择性外延得到的保护环厚度和理论设计接近,因此工艺仿真结果和器件仿真结果相近。
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