基于spaddtof传感器研究spadsipm典型应用测距辐射探测.pdfVIP

邮电大学科学与、射频集成与微组装技术国家地方联合工程

和核探测与核电子学国家重点的联合科研团队在《光学学报》期刊上了如下文

章。该文章第一作者为，通讯作者为本文基于0.18μmBCD工艺研究并实现

了一种近红外高灵敏度dTOF探测器。

一种硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器

SPAD器件

器件结构

所近红外SPAD器件的截面图如图2所示。该器件利用BCD工艺提供的高压p阱

（HVPW）和高压n+埋层（HVBN）之间形成的深结耗尽层作为雪崩倍增区，有效提高对近红

外光子的探测概率。同时在HVPW里进行浅结的重掺杂P+注入，并在p+表面外侧形成环形

的阳极，且在p+区表面中间不做金属硅化物淀积，形成透光的窗口。高压n阱（HVNW）作

为n+埋层的引出区域，在其表面进行浅结的重掺杂n+注入，并在n+区表面形成环形的阴

极。在器件阴极n+接触孔和阳极p+接触孔之间还有浅沟槽（STI），防止器件电极之

间发生击穿。特别是在雪崩倍增区外侧有低掺杂的p型外延层（P-epi）作为器件的虚拟

保护环，不但能避免器件表面被过早击穿，而且能有效降低保护环区域的电场，减小STI

周围引起的暗计数噪声影响。SPAD器件对光子的吸收主要发生在雪崩倍增区和高压p

阱区，由于雪崩倍增区被完全耗尽且深埋于衬底，因此能获得比高压p阱区更高的近红外

光生载流子量子效率。高压p阱区和雪崩倍增区吸收光子后产生的电子-空穴对在反向电场

作用下分别向n+埋层和p+阳极方向漂移。对于近红外短波光子，由于能量较低而容易穿过

高压p阱中性吸收区进入雪崩倍增区被吸收。靠近高压p阱一侧的雪崩倍增区由于掺杂浓

度远低于n+埋层一侧的雪崩倍增区，其耗尽区更宽，是产生光生载流子的主要区域。由于

雪崩倍增区存在强电场，雪崩倍增区内产生的光生电子和高压p阱区扩散过来的光生电子

会在强电场作用下发生雪崩倍增效应，使阳极电流在短时间内迅速增加，实现单光子的探

与主要依靠空穴碰撞电离的器件有更高的雪崩触发概率，能显著增强器件对近红外光子的

探测灵敏度。

图1SPAD截面图

TCAD仿真分析

基于0.18μmBCD工艺对所SPAD器件使用SILVACOAtlas工具进行了盖革模式下

的二维器件仿真。仿真采用了Shock-Read-Hall载流子产生-复合、Conmob和Fldmob迁移

率、Selberherr碰撞电离和Geiger等模型以获得接近实际的器件电学特性。为了能

使所设计的SPAD器件既满足小尺寸要求又保证不发生边缘击穿，需要优化最佳保护环间

距。图2（a）显示了仿真得到的四种不同保护环间距的器件I-V特性曲线。可以看出，保

护环间距为GRW=0.5μm和GRW=1.5μm器件的雪崩击穿电压分别为19V和31.7V，而

保护环间距为GRW=2.5μm与3.5μm器件的雪崩击穿电压均为42V，这说明当间距过小

时，会在保护环边缘区域提前发生雪崩击穿，从而使SPAD器件不能正常工作。综合考虑器

件尺寸及性能，本文选用2.5μm的保护环间距。图2（b）为GRW=2.5μm器件在过偏压

为3V下的二维电场分布情况。可以看到器件雪崩区距表面深度约为4μm，雪崩区

宽度约为1μm，电场分布均匀、集中，电场强度峰值达到3.75×10⁵V/cm，从而保证了

对近红外光子有更高的探测概率。由于虚拟保护环区域掺杂浓度低，电场强度明显小于雪

崩区电场，能够有效防止器件边缘过早击穿，同时避免STI界面产生的载流子被

强电场驱入雪崩倍增区而严重的暗计数噪声。

图2TCAD仿真：（a