史曉鳳，龐 雪，朱麗君，張新宇，張 媛，韓 波，李佩君，郭 博，程 翔*

（1.阜陽(yáng)師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程院，安徽阜陽(yáng)236037；2.廈門(mén)大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門(mén)361102）

1 引 言

隨著工業(yè)儀器的智能化及人臉識(shí)別等技術(shù)的興起，二維圖像由于缺失深度信息存在無(wú)法甄別合成圖像手段的風(fēng)險(xiǎn)。三維（Three-Dimensional，3D）信息能更加客觀全面的重構(gòu)實(shí)物，獲得許多人眼所不能直接獲取的量化參數(shù)，有效彌補(bǔ)二維圖像的缺點(diǎn)，因此成為視覺(jué)傳感的研究熱點(diǎn)。主流的3D傳感技術(shù)有雙目視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和時(shí)間飛行法（Time Of Flight，TOF）技術(shù)［1］。TOF技術(shù)通過(guò)計(jì)算傳感器收發(fā)紅外光的時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離，具有響應(yīng)速度快、深度精確度高（可達(dá)微米級(jí)）、功耗低，不需要復(fù)雜軟件支撐等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。TOF主要由蓋革模式-單光子雪崩光電二極管（Gage Mode-Single Photon Avalanche Photodiode，GM-SAPD）探測(cè)陣列、淬滅復(fù)位電路以及時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器組成［2-3］。其中，淬滅復(fù)位電路用來(lái)控制雪崩脈沖，以方便光子計(jì)數(shù)。TOF對(duì)探測(cè)器陣列性能和相關(guān)電路的精確度的要求較高。隨著CMOS工藝的不斷進(jìn)步，硅基SPAD器件的性能逐漸提高，高性能SPAD器件可以顯著提高TOF系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此其設(shè)計(jì)具有重要意義［4-6］。

GM-SPAD是基于雪崩效應(yīng)的單光子探測(cè)器，主要用于探測(cè)微弱光信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)器件的高度集成化，探測(cè)單元面積應(yīng)盡可能的小，并且結(jié)合淬滅電路可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列集成，用于量子通信、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、熒光測(cè)溫等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，GM-SPAD經(jīng)歷了從臺(tái)式到平面的演變［7］。近年來(lái)，很多基于標(biāo)準(zhǔn)工藝的GMSPAD研究都提到了保護(hù)環(huán)的重要性，這是因?yàn)樵谏顏單⒚字圃旃に囍凶⑷牒蛿U(kuò)散步驟難以避免在邊緣區(qū)域形成彎曲的PN結(jié)，有研究表明彎曲結(jié)角處的電場(chǎng)比平面結(jié)電場(chǎng)高得多，所以容易導(dǎo)致邊緣提早擊穿，影響探測(cè)器的性能［8］。研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)環(huán)能夠有效防止邊緣提前擊穿，比如低摻雜阱保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)，中心淺層P+的邊緣注入輕摻雜的Pwell，具有消除突變的邊緣摻雜曲線和角效應(yīng)的作用，降低了電場(chǎng)強(qiáng)度，從而避免邊緣提前擊穿［9］。保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響器件的暗計(jì)數(shù)率（Dark Count Rate，DCR）［10-12］。理查森等人采用130 nm CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了一種虛擬深阱保護(hù)環(huán)SP-AD結(jié)構(gòu)。與常規(guī)Pwell保護(hù)環(huán)相比，虛擬深阱保護(hù)環(huán)顯著降低了SPAD的DCR［13］。

BCD是一種有多層金屬，N埋層和P外延層的雙極型CMOS混合信號(hào)工藝。眾所周知，P外延層與P襯底相比晶格缺陷和點(diǎn)缺陷少很多，金屬雜質(zhì)的濃度更低，在半導(dǎo)體器件制造中更為理想。本次設(shè)計(jì)的探測(cè)器主要針對(duì)600～900 nm波段的光子，由文獻(xiàn)［14］可知1μm深的耗盡層處650 nm光的吸收率能達(dá)到30%左右，對(duì)于更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光則需要更深的耗盡層。同傳統(tǒng)CMOS工藝相比，BCD工藝的PN結(jié)深更深，可以提供30 V的高壓，更符合本次設(shè)計(jì)的需求。

本文基于BCD工藝設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)微弱光信號(hào)的SPAD及前端淬滅-復(fù)位電路（QAC），該圓形P+/Nwell/Deep Nwell結(jié)構(gòu)SPAD與傳統(tǒng)的P+/Nwell結(jié)構(gòu)以及P+/Nwell/BNwell結(jié)構(gòu)相比，在擊穿電壓和響應(yīng)度等關(guān)鍵指標(biāo)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。，

2 SPAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 為傳統(tǒng)CMOS工藝中的P+/Nwell結(jié)構(gòu)SPAD，記作PD1。該結(jié)構(gòu)以P-epi為襯底，P+為中心有源區(qū)，P+附近的輕摻雜Pwell形成保護(hù)環(huán)，防止發(fā)生邊緣提前擊穿，P+與Nwell接觸的地方為倍增區(qū)，從P+引出陽(yáng)極金屬接觸，N+引出陰極金屬接觸。為了提高光譜響應(yīng)，降低DRC，本文在結(jié)構(gòu)P+/Nwell結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加了DNwell，如圖2所示，記作PD2。由于DNwell的濃度梯度呈逆向分布，即靠近表面的濃度更低，使形成的PN結(jié)能承受更高的電壓，不易被擊穿。同時(shí)，利用DNWell將器件與襯底有效隔離開(kāi)，能減少噪聲和閂鎖效應(yīng)。為與P+/Pwell/DNWell結(jié)構(gòu)做比較，設(shè)計(jì)了P+/Pwell/Buried-Nwell結(jié)構(gòu)，記作PD3，如圖3所示。同樣以P-epi為襯底，P+為中心有源區(qū)，利用Pwell增大了與Buried-Nwell的接觸面積，同時(shí)避免了普通P/N阱高摻雜雪崩結(jié)引起的帶帶隧穿，有效降低DCR，兩端的Pwell和Buried Nwell構(gòu)成雙重保護(hù)環(huán)，使電場(chǎng)分布更加均勻，能夠有效阻止邊緣提前擊穿。

2.2 電場(chǎng)分布

圖1 P+/Nwell結(jié)構(gòu)（PD1）Fig.1 P+/Nwell structure（PD1）

圖2 P+/Nwell/Deep-Nwell結(jié)構(gòu)（PD2）Fig.2 P+/Nwell/Deep-Nwell structure（PD2）

圖3 P+/Pwell/Buried-Nwell結(jié)構(gòu)（PD3）Fig.3 P+/Nwell/Buried-Nwell structure（PD3）

基于Silvaco對(duì)3種結(jié)構(gòu)的探測(cè)器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。結(jié)合工藝設(shè)計(jì)規(guī)則，為了盡可能地減小探測(cè)器的整體面積同時(shí)增加探測(cè)器的填充系數(shù)，采用28μm長(zhǎng)的襯底，以光敏直徑為10μm進(jìn)行仿真。圖4為PD1無(wú)P阱保護(hù)環(huán)的電場(chǎng)分布，電場(chǎng)集中在P+注入?yún)^(qū)，且電場(chǎng)較強(qiáng)，從局部放大圖可以清晰地看到拐角處電場(chǎng)高達(dá)6.6×105V/cm，在此高電場(chǎng)條件下容易發(fā)生角效應(yīng)，引起邊緣提前擊穿。圖5為PD1有保護(hù)環(huán)的電場(chǎng)分布，可看到電場(chǎng)主要分布在兩個(gè)P阱和P+注入?yún)^(qū)的外緣線，P+注入?yún)^(qū)中間電場(chǎng)較高，兩端邊緣處電場(chǎng)較低，拐角處電場(chǎng)約為4.0×105V/cm，能防止提前擊穿。從有無(wú)保護(hù)環(huán)兩種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)仿真可知，添加保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)能有效預(yù)防角效應(yīng)引起的邊緣提前擊穿。

PD2的電場(chǎng)分布如圖6所示。電場(chǎng)集中在P+區(qū)，兩邊的P阱上也承擔(dān)了部分電壓，從圖6的局部放大圖可以看出P+區(qū)兩端邊緣處電場(chǎng)明顯降低，減少了邊緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

PD3結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布如圖7所示。電場(chǎng)集中在Pwell上形成環(huán)狀，電場(chǎng)分布均勻，拐角處電場(chǎng)約為4.4×105V/cm。由局部放大圖可知，拐角處電場(chǎng)明顯比其他區(qū)域電場(chǎng)小，證明此結(jié)構(gòu)可以預(yù)防角效應(yīng)導(dǎo)致的邊緣提前擊穿。

圖4 PD1無(wú)保護(hù)環(huán)時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.4 Electric field distribution of PD1 without protection ring

圖5 PD1有保護(hù)環(huán)時(shí)的電場(chǎng)分布Fig.5 Electric field distribution of PD1 with protection ring

圖6 PD2的電場(chǎng)分布Fig.6 Electric field distribution of PD2

從3種探測(cè)器的電場(chǎng)分布上看，他們均能有效地防止角效應(yīng)帶來(lái)的邊緣提前擊穿，前兩種結(jié)構(gòu)在P阱與P+注入連接處附近的電場(chǎng)變化更為明顯，PD3的電場(chǎng)分布更均勻，數(shù)值也更高。

圖7 PD3的電場(chǎng)分布Fig.7 Electric field distribution of PD3

2.3 I-V特性

反向電壓增加到一定值，使PN結(jié)的電流急劇增加的現(xiàn)象被稱(chēng)為擊穿現(xiàn)象，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為擊穿電壓。PD1的I-V曲線如圖8中modelex720-3.log所示，反偏電壓較小時(shí)，電流約為1.0×10-12A，且隨著反偏電壓的增大變化不大，電壓增至10.2 V時(shí)電流陡增至1.0×10-2A，隨后的電流增長(zhǎng)趨于飽和。GM-APD的特性曲線表明，當(dāng)電壓小于10.2 V時(shí)，探測(cè)器工作在反偏線性區(qū)，擊穿電壓為10.2 V，電壓大于10.2 V時(shí)處于蓋革狀態(tài)。PD2的擊穿特性曲線如圖8中modeldn720-3.log所示，電流在反偏電壓為10.5 V處陡增至1.0×10-2A，擊穿電壓相比前一種結(jié)構(gòu)增加了0.3 V，所以此種結(jié)構(gòu)能承受更高的電壓。

PD3的擊穿特性如圖8中modelbn720-3.log所示，擊穿點(diǎn)約為21.6 V，比前兩種結(jié)構(gòu)都要高。這是由于形成的PN結(jié)位于Pwell和BNwell之間，結(jié)深較前兩種結(jié)構(gòu)大很多，P阱相比P+的濃度要低很多，導(dǎo)致空穴的濃度較小，形成的耗盡層寬度較大，所以需要提供更高的反向偏壓才能擊穿。顯然，PD1和PD2的擊穿電壓較低。

圖8 三種SPAD結(jié)構(gòu)擊穿電壓的仿真曲線比較Fig.8 Comparison of breakdown voltage simulation curves of three SPAD structures

2.4 光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)反映了光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)的能力，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，探測(cè)器轉(zhuǎn)換成光電流的能力也不一樣，設(shè)置不同波長(zhǎng)的光束照射探測(cè)器。3種SPAD結(jié)構(gòu)在反偏電壓相同時(shí)入射波長(zhǎng)與光電流的關(guān)系曲線如圖9所示，0.35～0.7μm波段中光電流隨波長(zhǎng)的增加速度更快并在波長(zhǎng)約為0.7μm達(dá)到峰值，峰值處光電流約為9.5 μA，波譜范圍較寬為0.35～1.2μm。將峰值處放大可見(jiàn)PD2的峰值最大，對(duì)應(yīng)綠色的線條，且整個(gè)曲線都在P+/Nwell結(jié)構(gòu)上方（彩圖見(jiàn)期刊電子版）。因此，PD2的光譜響應(yīng)能力優(yōu)于另外兩種。

圖9 三種SPAD結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)仿真曲線Fig.9 Spectral response simulation curves of three SPAD structures

2.5 有源區(qū)尺寸仿真

有源區(qū)作為光子探測(cè)吸收的主要區(qū)域，其尺寸對(duì)探測(cè)器也有重要的影響。大尺寸的有源區(qū)能增加探測(cè)面積，提高探測(cè)器的填充系數(shù)，同時(shí)也會(huì)引起較高的DRC，探測(cè)器整體體積過(guò)大等缺點(diǎn)，所以需要研究不同直徑有源區(qū)的特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證流片的效果。本文在有源區(qū)直徑分別為6，8，10μm的情況下對(duì)3種探測(cè)器的I-V特性進(jìn)行了仿真。

PD1反向偏壓和電流關(guān)系的仿真結(jié)果如圖10所示，其中modelex720-1.log、modelex720-2.log、modelex 720-3.log分別為有源區(qū)直徑為6，8，10μm時(shí)的仿真曲線。擊穿點(diǎn)附近的I-V曲線的放大圖如圖10（b）所示，由圖可知有源區(qū)直徑為6μm時(shí)擊穿電壓最高，10μm時(shí)擊穿點(diǎn)電壓最低。

PD2的I-V仿真曲線如圖11（a）所示，modeldn720-1.log、modeldn720-2.log、modeldn720-3.log分別為有源區(qū)直徑為6，8，10μm時(shí)的仿真結(jié)果。擊穿點(diǎn)處的局部放大圖如圖11（b）所示，有源區(qū)直徑為6μm時(shí)探測(cè)器的擊穿電壓約為11 V，8μm時(shí)擊穿電壓為10.8 V，直徑增加到10 μm時(shí)擊穿電壓為10.5 V。

PD3的I-V特性仿真曲線如圖12所示，modelbn720-1.log、modelbn720-2.log、modelbn720-3.log分別為有源區(qū)直徑為6，8，10μm時(shí)的仿真結(jié)果。有源直徑為6μm時(shí)擊穿電壓為21.9 V，8 μm時(shí)為21.7 V，10μm時(shí)為21.6 V。

圖10 不同尺寸的PD1的I-V特性曲線Fig.10 Simulated I-V curves of PD1 of different sizes

通過(guò)比較3種光電探測(cè)器的仿真圖，可以看出隨著有源區(qū)尺寸的增大，3種結(jié)構(gòu)的擊穿電壓的節(jié)點(diǎn)均逐漸減小，這跟大面積有源區(qū)的探測(cè)器中更容易碰到局部高電場(chǎng)區(qū)域發(fā)生擊穿的情況有關(guān)。為了獲得較低的擊穿電壓，較高的響應(yīng)度，最終選取有源區(qū)尺寸為10μm的PD1和PD2進(jìn)行流片。

3 前端電路的協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真

圖11 不同尺寸的PD2的I-V特性曲線Fig.11 Simulated I-V curves of PD2 of different sizes

由于探測(cè)器雪崩過(guò)程不能自主熄滅和發(fā)生，因此前端電路對(duì)GM-APD的控制和信號(hào)讀出發(fā)揮著重要的作用。前端電路的工作結(jié)構(gòu)如圖13所示，信號(hào)光引發(fā)探測(cè)器發(fā)生雪崩，同時(shí)作為T(mén)DC（Time Digital Conventor）的計(jì)時(shí)開(kāi)始信號(hào)，淬滅電路快速淬滅雪崩并經(jīng)延時(shí)復(fù)位恢復(fù)雪崩準(zhǔn)備狀態(tài)，產(chǎn)生的雪崩脈沖作為T(mén)DC的計(jì)時(shí)終止信號(hào)。

3.1 GM-APD等效模型設(shè)計(jì)

原始的等效模型結(jié)構(gòu)［14］簡(jiǎn)單，能模擬GMAPD的充電特性，在電流源充電時(shí)探測(cè)器兩端電壓呈線性增長(zhǎng)，但是缺乏對(duì)體電阻及寄生電容等因素的考慮，只能進(jìn)行粗略的仿真分析，并不能準(zhǔn)確地描述探測(cè)器工作時(shí)陰陽(yáng)兩極電壓的變化。在改進(jìn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮體電阻和寄生電容的影響。如圖14所示，Vbreak是雪崩擊穿電壓，Rd為APD的內(nèi)電阻，電容Cd為反相偏壓結(jié)電容，Cp1和Cp2分別為陽(yáng)極-襯底結(jié)電容和陰極-襯底結(jié)電容，通常有Cp1≈Cp2。開(kāi)關(guān)控制雪崩的發(fā)生，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電容放電探測(cè)器處于準(zhǔn)備探測(cè)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電容充電探測(cè)器不發(fā)生雪崩。仿真中開(kāi)關(guān)采用MOS管代替。

圖12 不同尺寸的PD3的I-V特性曲線Fig.12 Simulated I-V curves of PD3 of different sizes

圖13 外圍電路結(jié)構(gòu)Fig.13 Peripheral circuit structure

3.2 淬滅電路的設(shè)計(jì)仿真

APD工作在蓋革模式下意味著一旦觸發(fā)雪崩，雪崩電流會(huì)持續(xù)存在，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)，且長(zhǎng)時(shí)間的大電流通過(guò)會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)熱產(chǎn)生較大的功率損耗，載流子被深能級(jí)的陷阱捕獲使后脈沖發(fā)生的概率增加，因此必須采取措施控制雪崩并恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。淬滅電路的功能就是中斷雪崩倍增過(guò)程，改進(jìn)的主動(dòng)淬滅電路拓?fù)淙鐖D15所示，其中Vex為過(guò)偏壓。改進(jìn)后的電路結(jié)構(gòu)緊湊，沒(méi)有比較處理單元和相關(guān)多余電阻，不需要選取合適參考電壓，開(kāi)關(guān)切斷電流路徑即可達(dá)到淬滅的目的，相比于傳統(tǒng)的淬滅結(jié)構(gòu)響應(yīng)速度更快。

圖14 仿真電路的模型Fig.14 Model of simulation circuit

當(dāng)NMOS柵源偏壓大于導(dǎo)通閾值電壓Vgs時(shí)管子導(dǎo)通，利用這一性質(zhì)用NMOS管代替開(kāi)關(guān)，其中MQ為淬滅開(kāi)關(guān)，MR為復(fù)位開(kāi)關(guān)。M2和M3為一組由PMOS和NMOS構(gòu)成的簡(jiǎn)單反相器，MQ導(dǎo)通MR截止時(shí)，探測(cè)器的陽(yáng)極處接地電壓為低電平，經(jīng)反相器翻轉(zhuǎn)輸出高電平信號(hào)，此時(shí)探測(cè)器兩端偏壓大于擊穿電壓，有光子入射時(shí)激發(fā)雪崩，M1和MQ形成的支路受探測(cè)器突增的光電流影響電流增大。同時(shí)，M1和M3形成電流鏡結(jié)構(gòu)，電流復(fù)制至反相器使二極管陽(yáng)極處的電壓增加，輸出信號(hào)電平減小最終使MQ的柵極電壓低于閾值電壓Vgs，此時(shí)的MQ處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于一個(gè)高阻值電阻使陽(yáng)極的電壓逐漸上升直至探測(cè)器兩端偏壓小于擊穿電壓，探測(cè)器成功淬滅。經(jīng)過(guò)后續(xù)延時(shí)電路處理過(guò)的高電平信號(hào)作用在MR的柵極上，MR導(dǎo)通并對(duì)探測(cè)器進(jìn)行充電。通常為了防止淬滅，充電沒(méi)有結(jié)束開(kāi)關(guān)就已導(dǎo)通或者淬滅不完全有后脈沖的影響，設(shè)置延遲時(shí)間大于淬滅時(shí)間。

仿真基于cadence/spectre，設(shè)置擊穿電壓為10.5 V，二極管陰極處外加電壓為12 V，仿真波形如圖16所示。從上至下依次為模擬光子到來(lái)的開(kāi)關(guān)脈沖波形，二極管陽(yáng)極處的電壓波形，out處電壓波形和reset復(fù)位管柵極處波形。其中，開(kāi)關(guān)脈沖延遲時(shí)間為2 ns，上升時(shí)間為1 ps，下降時(shí)間為1 ps，脈沖寬度為3 ns，周期為10 ns。從二極管的陽(yáng)極電壓波形可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)陽(yáng)極電壓近乎為零，二極管兩端的反向偏壓大于10.5 V；當(dāng)開(kāi)關(guān)管閉合光子到來(lái)時(shí)，二極管發(fā)生雪崩擊穿的同時(shí)陽(yáng)極處電壓迅速升高，峰值電壓約為1.9 V，此時(shí)二極管的兩端偏壓小于10.5 V的擊穿電壓，二極管被成功淬滅，隨后經(jīng)復(fù)位電路對(duì)二極管進(jìn)行充電使陽(yáng)極處電壓回落到0 V，二極管再次處于擊穿狀態(tài)等待下一次光子的到來(lái)。以陽(yáng)極峰值電壓1.9 V的百分之一為標(biāo)準(zhǔn)，即單個(gè)周期內(nèi)電壓超過(guò)19 mV的時(shí)間段可作為死時(shí)間，此電路的死時(shí)間約為2.6 ns，能夠達(dá)到快速探測(cè)的目的。

圖15 淬滅電路仿真Fig.15 Simulation of quenching integrated circuit

圖16 淬滅電路的仿真波形Fig.16 Simulation waveforms of quenching integrated circuit

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖17 單個(gè)探測(cè)器的版圖及芯片打線封裝后的照片F(xiàn)ig.17 Map of individual detectors and test board of chip after drawing package

測(cè)試實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，圖17為單個(gè)探測(cè)器及芯片封裝后的照片。PD2和PD1的APD兩端的反向偏置電壓與陰極電流關(guān)系曲線分別如圖18（a）和18（b）所示。由圖18（a）可以看出，不加光照時(shí)，反偏電壓在15.8 V以下，暗電流很小，在10-14A量級(jí)；但當(dāng)反偏電壓增至15.8 V時(shí)電流增加明顯，并隨著反向電壓的增大不斷增加。給APD分別施加650 nm波長(zhǎng)和850 nm波長(zhǎng)的激光照射，在偏置電壓小于15.8 V時(shí)，受光生載流子的影響，陰極電流明顯比不加光照時(shí)大很多，不過(guò)仍維持在較低水平；當(dāng)電壓增加至15.8 V附近時(shí)電流陡增。從測(cè)試I-V變化曲線上不難得出，PD2結(jié)構(gòu)APD的擊穿電壓為15.8 V，比仿真的擊穿電壓10.5 V高，這是因?yàn)榱髌に嚨挠绊?，該偏差在允許范圍內(nèi)。電流隨電壓的變化規(guī)律與仿真結(jié)果吻合，同時(shí)在相同光功率照射下，650 nm波長(zhǎng)光對(duì)應(yīng)的電流明顯大于850 nm對(duì)應(yīng)的電流，證明了前面的仿真結(jié)果和設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，曲線在偏置電壓增至約16.3 V時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，電壓超過(guò)拐點(diǎn)后陰極電流迅速增加。這是由于此結(jié)構(gòu)包含P+/Nwell、DNwell/Sub兩個(gè)PN結(jié)，DNwell/Sub形成的PN結(jié)因?yàn)閾诫s濃度較低，所以相對(duì)于P+/Nwell形成的PN結(jié)擊穿電壓較高，在電壓升高至16.3 V左右時(shí)會(huì)形成第二次PN結(jié)擊穿。

從圖18（b）可以看出，偏置電壓低于10.6 V且無(wú)光照時(shí)陰極電流較小，在10-12A數(shù)量級(jí)，在此偏置電壓下給予光照會(huì)發(fā)現(xiàn)，陰極電流比不加光照時(shí)有所提升，當(dāng)偏置電壓達(dá)到10.6 V后，陰極電流陡增，且相同的偏置電壓下和光功率下，650 nm波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電流大于850 nm波長(zhǎng)的電流。根據(jù)3條曲線的走勢(shì)可以判斷出P+/Nwell結(jié)構(gòu)的雪崩擊穿電壓點(diǎn)為10.6 V，與仿真結(jié)果10.2 V非常接近，在可允許的范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果與仿真趨勢(shì)基本一致。

圖18 光電探測(cè)器的I-V測(cè)試曲線Fig.18 Tested I-V curves of photodetectors

圖19 是對(duì)兩款A(yù)PD的響應(yīng)度測(cè)試曲線。從圖中可以看出，在擊穿電壓點(diǎn)附近兩款A(yù)PD的響應(yīng)度明顯上升，且650 nm光均比850 nm光的響應(yīng)度高。PD2在電壓達(dá)到16 V時(shí)，650 nm光和850 nm光對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度分別約為0.8 A/W和0.25 A/W。P+/Nwell在電壓為10.8 V時(shí)，650 nm光和850 nm光對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度分別約為0.71 A/W和0.39 A/W。

在遮光情況下對(duì)APD進(jìn)行無(wú)源暗計(jì)數(shù)測(cè)試，暗計(jì)數(shù)是APD自身材料缺陷或熱載流子造成的雪崩觸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致APD在沒(méi)有光子照射的情況下產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。在APD兩端施加不同電壓并記錄對(duì)應(yīng)的DRC，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖20和表1所示。隨著偏置電壓的增大，DRC不斷增大，P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)中當(dāng)偏壓為16 V時(shí)DRC約為20 kHz，P+/Nwell結(jié)構(gòu)中當(dāng)偏壓為10.8 V時(shí)DRC約為60 kHz。

圖19 PD2和PD1的響應(yīng)度曲線Fig.19 Responsiveness curves of PD2 and PD1

光子探測(cè)效率（Photon Detection Efficiency，PDE）是衡量探測(cè)器件性能的重要參數(shù)指標(biāo)之一，其數(shù)值是探測(cè)到的光子數(shù)量與入射光子數(shù)量的比值，代表了探測(cè)器探測(cè)光子的能力。影響PDE的主要因素有：（1）有效雪崩區(qū)域的量子效率（Quantum Efficiency，QE）；（2）幾何填充因子ε；（3）入射光子觸發(fā)雪崩的概率Ptrigger。其中ε為光敏面積與整體面積的比值［7］。則有：

其中：Iph為探測(cè)器內(nèi)部產(chǎn)生的光電流，Popt為入射光的光功率，q是電荷，h為普朗克常量，ν代表入射光子的頻率。由式（2）可得響應(yīng)度R和量子效率η的關(guān)系式η=R·1.24/λ。由式（1）可知，PDE與響應(yīng)度R成正比，而本文設(shè)計(jì)的SPAD在峰值650 nm處具有較高的響應(yīng)度（0.8 A/W），因此，在650 nm處應(yīng)具有較高的PDE。

文獻(xiàn)［2］［15-16］獲得了比較低的DRC，尤其是文獻(xiàn)［16］，在過(guò)偏壓0.5 V下，僅有60 Hz的DRC，但是APD采用高壓CMOS工藝制作，擊穿電壓高達(dá)50 V；文獻(xiàn)［15］的擊穿電壓也高于20 V；文獻(xiàn)［2］整體性能都較好，然而其峰值波長(zhǎng)在550 nm處，當(dāng)探測(cè)器工作在650 nm處時(shí)光子探測(cè)概率下降較大。文獻(xiàn)［9］的峰值波長(zhǎng)在640 nm，擊穿電壓較小，然而DRC達(dá)到80 kHz。文獻(xiàn)［17］有較低的擊穿電壓，但其工藝為90 nmCMOS，價(jià)格比較昂貴。綜合比較可得，本文設(shè)計(jì)的SPAD在峰值650 nm處具有較高的響應(yīng)度，適 合在波段0.6～0.85μm內(nèi)工作，擊穿電壓較低。

圖20 暗計(jì)數(shù)率與擊穿電壓的關(guān)系曲線Fig.20 Relationship between dark count rate and breakdown voltage

表1 不同文獻(xiàn)中SPAD參數(shù)比較Tab.1 Comparison of parameters of different SPADs

5 結(jié) 論

本文提出了一種在0.18μm BCD工藝中設(shè)計(jì)的圓形P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)SPAD和前端淬滅-復(fù)位電路。SPAD器件雪崩區(qū)形成在P阱和DNW之間，具有更均勻的摻雜分布，邊緣擊穿概率顯著降低，深N阱有效減少P襯底流向雪崩區(qū)的暗電流，降低DRC，也保證了較小的縱向渡越時(shí)間，提高了響應(yīng)速度。通過(guò)TCAD對(duì)P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)、P+/Nwell結(jié)構(gòu)和P+/Nwell/BNwell結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，并且對(duì)3種結(jié)構(gòu)的I-V特性、電場(chǎng)分布和光譜響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，圓形P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)具有較低的擊穿電壓，P+區(qū)兩端邊緣處電場(chǎng)明顯降低，降低了邊緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，且在650 nm具有較高的光譜響應(yīng)。同時(shí)，為了研究有源區(qū)尺寸對(duì)器件性能的影響，又在6，8，10μm等不同尺寸下分別對(duì)3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了I-V特性仿真，仿真結(jié)果表明，隨著有源區(qū)尺寸的增大，3種結(jié)構(gòu)的擊穿電壓的節(jié)點(diǎn)均有逐漸減小的趨勢(shì)，綜合考慮，選取有源區(qū)尺寸為10μm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流片。為實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器與集成電路的協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真，改進(jìn)了APD光電器件的等效電路模型，設(shè)計(jì)了主動(dòng)淬滅復(fù)位電路，死時(shí)間約為2.6 ns，能夠達(dá)到快速探測(cè)的目的?；贑SMC 0.18μm BCD工藝對(duì)10μm的P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)和P+/Nwell結(jié)構(gòu)進(jìn)行流片，測(cè)試表明，650 nm波長(zhǎng)的光均比850 nm波長(zhǎng)的響應(yīng)度高，P+/Nwell/DNwell結(jié)構(gòu)在電壓達(dá)到16 V時(shí)650 nm和850 nm對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度分別約為0.8 A/W和0.25 A/W，以及DRC均優(yōu)于P+/Nwell結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，基于BCD工藝采用高壓深N阱工藝，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)，可獲得工作波段在0.6～0.85μm，且具有較低的擊穿電壓和高響應(yīng)度的SPAD。本文的研究工作為可見(jiàn)光領(lǐng)域的硅基光電集成的高性能探測(cè)器的研制提供技術(shù)積累。