一個(gè)高速、低DCRSPAD設(shè)計(jì)與仿真

任 科，田 穎

(1．天津力神電池股份有限公司，天津 300222；2. 天津大學(xué) 仁愛(ài)學(xué)院，天津 300222)

一個(gè)高速、低DCRSPAD設(shè)計(jì)與仿真

任 科1，田 穎2

(1．天津力神電池股份有限公司，天津 300222；2. 天津大學(xué) 仁愛(ài)學(xué)院，天津 300222)

采用有源淬滅和有源復(fù)位電路，設(shè)計(jì)一種全集成高速、低暗計(jì)數(shù)率(DCR)單光子雪崩二極管探測(cè)器(SPAD)。與被動(dòng)式淬滅電路相比，該結(jié)構(gòu)通過(guò)減小流過(guò)SPAD的雪崩電荷，以減少后脈沖、熱激發(fā)以及二次雪崩的概率，它可在納秒級(jí)內(nèi)反饋關(guān)斷雪崩并準(zhǔn)備好下一次探測(cè)，因而具有更快的相位轉(zhuǎn)換速度、更少的計(jì)數(shù)損失和更高的靈敏度，非常適用于高速、高靈敏度的光子探測(cè)領(lǐng)域。仿真時(shí)采用SPAD的SPICE簡(jiǎn)化模型和MATLAB增強(qiáng)模型，綜合考慮瞬態(tài)特性和暗記數(shù)率特性。

單光子雪崩二極管；蓋革模式；淬滅電路；暗計(jì)數(shù)率

0 引言

近年來(lái)，單光子檢測(cè)技術(shù)在微弱光信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛：緩慢變化的光階可以通過(guò)光子計(jì)數(shù)測(cè)量；而快速變化的光波可以通過(guò)光子計(jì)時(shí)測(cè)量[1]?？梢詫?shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)的器件有很多種，包括電荷耦合器件(Charge-coupledDevice，CCD)、光電倍增管(PhotomulTiplierTube，PMT)、雪崩光電二極管(AvalanchePhotonDiode，APD)等。其中，APD器件工作在線性放大模式，偏置電壓略低于擊穿電壓(BreakdownVoltage，VBD)，增益最大只有幾百倍，而噪聲干擾較大[2-10]。

單光子雪崩光電二極管(Single-PhotonAvalancheDiodedetector，SPAD)由APD演變而來(lái)，由一個(gè)反偏p-n結(jié)、淬滅電路和復(fù)位電路組成。p-n結(jié)(如圖1所示)，其反向偏壓高于VBD時(shí)叫做蓋革模式(Geigermode)，超出VBD部分叫做過(guò)偏置電壓(ExcessBiasVoltage, Vov)。當(dāng)其工作在蓋革模式時(shí)，增益相當(dāng)于無(wú)窮大(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于APD)。p-n結(jié)耗盡區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度很大，單個(gè)光生電子-空穴對(duì)即可觸發(fā)一次毫安級(jí)的雪崩倍增效應(yīng)。淬滅電路的作用是使SPAD退出雪崩倍增自持效應(yīng)，而復(fù)位電路的作用是使SPAD恢復(fù)到蓋革模式，準(zhǔn)備下一次的光子檢測(cè)。如果促發(fā)雪崩倍增效應(yīng)的電子-空穴對(duì)不是外界光源，而是器件內(nèi)部的無(wú)機(jī)熱激發(fā)導(dǎo)致的誤計(jì)數(shù)，則稱為暗記數(shù)(DarkCount),可以表征器件的噪聲[11]特性。

圖1 淺結(jié)n+/p型SPAD平面結(jié)構(gòu)

1 被動(dòng)式淬滅電路

圖2 被動(dòng)式淬滅電路pixel原理圖

一個(gè)簡(jiǎn)單的被動(dòng)式淬滅電路是通過(guò)一個(gè)大電阻Rq(大約幾百千歐)與SPAD串聯(lián)分壓實(shí)現(xiàn)的[12]，如圖2所示。SPAD的陽(yáng)極電位偏置在較高的負(fù)電位VOP，陰極則通過(guò)淬滅電阻Rq與VDD相連接，事件信號(hào)VA通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS反相器讀出(輸出范圍為0-VDD，閾值略高于Vov)。靜態(tài)時(shí)，SPAD工作在蓋革模式下，二極管中沒(méi)有電流流過(guò)，無(wú)事件信號(hào)輸出。當(dāng)有光子事件發(fā)生時(shí)，雪崩電流通過(guò)A點(diǎn)電容(二極管寄生電容)及淬滅電阻Rq放電，使二極管兩端壓降從VBD+ Vov(相當(dāng)于|VOP|+VDD)降到VBD。因而VA從VDD降至Vov(低于NMOS管閾值電壓)導(dǎo)致反相器輸出為高電平VDD，淬滅時(shí)間大致為幾納秒[13]。在文獻(xiàn)[13]中，VA電位從Vov通過(guò)復(fù)位電路充電至VDD(蓋革模式)所需時(shí)間為幾十納秒。這樣，光子探測(cè)結(jié)果就可以通過(guò)一個(gè)0～VDD的數(shù)字信號(hào)標(biāo)示出來(lái)了。通常淬滅時(shí)間和復(fù)位時(shí)間之和稱為死時(shí)間，其值與二極管寄生電容和淬滅電阻阻值大小有關(guān)。死時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器無(wú)法工作。

圖3給出了利用SPAD的簡(jiǎn)化模型[14]繪制的被動(dòng)式淬滅電路光子事件探測(cè)仿真結(jié)果，設(shè)定淬滅電阻RQ為 270kΩ，雪崩電流感應(yīng)電阻RS取50Ω，結(jié)電容CAC取4pF，陽(yáng)極襯底電容CAS取1pF，陰極襯底電容CCS取1pF，雪崩管電阻RD取1kΩ， VBD取20V，Vov取2.5V，而用于模擬光子事件的晶體管選擇n-MOS管，閾值電壓取3V。光子脈沖定義為3V峰值，20ns脈沖寬度，上升時(shí)間和下降時(shí)間都為5ns。由上至下三條曲線A、B、C分別為光子事件信號(hào)、 二極管兩端電壓、SPAD像素電路的輸出信號(hào)?？梢钥闯?，SPAD的充電復(fù)位過(guò)程(中間曲線)較慢，死時(shí)間較長(zhǎng)(μs級(jí))。

圖3 被動(dòng)式淬滅電路光子事件探測(cè)仿真結(jié)果

2 主動(dòng)式淬滅電路

被動(dòng)式淬滅電路復(fù)位時(shí)間較長(zhǎng)。電路中流過(guò)大的雪崩電流也會(huì)使后脈沖效應(yīng)(也可以看作是暗記數(shù)的一部分[14])發(fā)生的概率增大。為了提高SPAD的探測(cè)速度、降低暗記數(shù)率，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的主動(dòng)淬滅快速淬滅、恢復(fù)電路非常重要。

有源淬滅電路的基本思路是減小流過(guò)SPAD的雪崩電荷，這樣可以減少三個(gè)方面的負(fù)面影響：(1)后脈沖效應(yīng)。一小部分雪崩載流子被較深能級(jí)捕獲、釋放后可以再次激發(fā)SPAD，加大探測(cè)器噪聲[15]。(2)熱激發(fā)。VBD增加，Vov減小，探測(cè)效率下降，導(dǎo)致非線性效應(yīng)。(3)雪崩效應(yīng)時(shí)，熱載流子激發(fā)的二次光子可以導(dǎo)致相鄰探測(cè)器的偽激發(fā)。因此，設(shè)計(jì)了一種像素級(jí)主動(dòng)淬滅與快速恢復(fù)探測(cè)器，它可在納秒級(jí)內(nèi)反饋關(guān)斷雪崩并準(zhǔn)備好下一次探測(cè)，原理圖如圖4所示。其中，M1為有源淬滅電阻，其漏源電阻阻值由VRES控制，其值可在10kΩ到數(shù)兆歐之間變化(通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電阻，不僅可以控制hold-off時(shí)間以使后脈沖發(fā)生概率最小化，還可以減少SPAD組內(nèi)噪聲)。由于M1工作在飽和區(qū)，因此其漏源電壓可以視作0，VDD-V1完全由SPAD承擔(dān)，當(dāng)SPAD受到光子激發(fā)時(shí)，雪崩電流很大，這時(shí)M1工作在線性區(qū)，像個(gè)恒流源承擔(dān)大部分壓降，致使SPAD兩端壓降瞬間降低，SPAD被淬滅。M2為寬溝道PMOS晶體管，其值可在數(shù)百歐姆到1kΩ間變化。當(dāng)Reset為M2導(dǎo)通時(shí)，VDiode通過(guò)M2對(duì)SPAD的陰極充電，使SPAD恢復(fù)蓋革模式，準(zhǔn)備下一次的檢測(cè)。M3為NMOS器件，導(dǎo)通時(shí)可以使SPAD兩端偏壓低于VBD，也可以防止SPAD復(fù)位或禁用該SPAD。它與M2采用不同的控制信號(hào)以盡可能地降低后脈沖效應(yīng)。M4、M5將事件信號(hào)輸出，M4的柵極信號(hào)為SPAD輸出信號(hào)V1。

圖4 主動(dòng)式淬滅電路SPAD原理圖

圖5給出了一個(gè)典型的探測(cè)和復(fù)位時(shí)序圖。由上而下依次是二極管兩端電壓V1，M3柵極電壓VG3，M2柵極電壓Reset，輸出信號(hào)Output以及光子事件信號(hào)Event。開(kāi)始時(shí)， V1輸出高電平VBD+Vov，SPAD工作于蓋革模式。光子激發(fā)SPAD后，雪崩電流被M1淬滅，V1降至低電平VBD。此時(shí)，M3導(dǎo)通，維持V1的低電平，Output為高電平。Reset信號(hào)由光源觸發(fā)，當(dāng)有光子事件發(fā)生時(shí)，Reset為低電平，M3截止，M2導(dǎo)通，將V1電平充電至高電平VBD+Vov，記錄光子事件。該結(jié)構(gòu)大大降低了DCR的概率。這種設(shè)計(jì)的死時(shí)間僅有幾納秒，相比被動(dòng)淬滅電路性能大大提高。

圖5 主動(dòng)式淬滅電路光子事件探測(cè)時(shí)序圖

暗記數(shù)率(DCR)指的是在沒(méi)有光照時(shí)，由于熱激發(fā)或者帶間隧穿效應(yīng)在SPAD器件耗盡區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)可能導(dǎo)致不必要的雪崩脈沖頻率。由于圖3所用的SPAD仿真模型不包含統(tǒng)計(jì)特性，仿真時(shí)采用文獻(xiàn)[16]、[17]提出的更為精確的增強(qiáng)模型。使用MATLAB軟件建模時(shí)，以載流子的產(chǎn)生/復(fù)合機(jī)制下的間隔時(shí)間Δtcg為L(zhǎng)ambda值，直接利用函數(shù)random(‘poisson’,Lambda,m,n)隨機(jī)返回m行n列按照泊松分布的時(shí)間值來(lái)標(biāo)記暗記數(shù)現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生暗記數(shù)的次數(shù)即暗計(jì)數(shù)率(DCR)可表示為[16-17]：

(1)

式(1)中，Ptr為熱載流子雪崩觸發(fā)幾率，AD為SPAD耗盡區(qū)面積，WD為耗盡區(qū)寬度，ni為本征載流子濃度，τg為非平衡載流子壽命，GSRH為由于熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子的平均幾率(符合泊松分布)。模型中參數(shù)設(shè)置如表1所示[6-7]。

表1 各元件參數(shù)設(shè)置

圖6 暗記數(shù)與仿真時(shí)間關(guān)系圖

圖6給出了在Vov為2.5V時(shí)室溫條件下暗記數(shù)現(xiàn)象的仿真結(jié)果。在進(jìn)行暗記數(shù)的仿真時(shí)，SPAD不接收外部光信號(hào)。從圖中可以看到由于熱激發(fā)導(dǎo)致的暗記數(shù)出現(xiàn)時(shí)間是隨機(jī)的，可根據(jù)模型中內(nèi)置的轉(zhuǎn)換程序確定其數(shù)值。

3 結(jié)論

本文采用一種新型的主動(dòng)淬滅電路設(shè)計(jì)了一種高速、低DCR的SPAD，仿真時(shí)采用SPAD的SPICE簡(jiǎn)化模型和增強(qiáng)模型，綜合考慮了直流和統(tǒng)計(jì)特性，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的死時(shí)間大大減小，噪聲特性大大提高。

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Design and simulation of A high-speed low DCR SPAD

RenKe1,TianYing2

(1.TianjinLishenBatteryJoint-StockCo.,Ltd.,Tianjin300222,China;2.Ren’aiCollege,TianjinUniversty,Tianjin300222,China)

Activequenchingandresetcircuitswereadoptedtodesignafully-intetratedhighspeedlowDCR(DarkCountRate)single-photonavalanchediodedetector(SPAD).Comparedwiththepassivequenchingcircuits,itsstructurehadadvantagesofdecreasingtheavalancechargetominimizetheprobabilityofafter-pulsing,thermalactivationandsecondavalance,soitcouldfeedbackandturnoffavalanceeffectinseveralnanoseconds,readyfornextdetection,whichmeanedfastertransitionsbetweendifferentphases,lesscountlossesandincreasedsensitivety,suitableforapplicationinhighspeedandhighsensitivephotondetectionfield.SimulationwasperformedbasedonsimplifiedmodelofSPAD,notonlytheDCcharacteristicsbutalsothestatisticalmodel.

single-photonavalanchediodedetector(SPAD);Geigermode;quenchingcircuit;DCR

TN

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.011

任科，田穎. 一個(gè)高速、低DCRSPAD設(shè)計(jì)與仿真 [J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(22)：40-42，46.

2016-05-25)

任科(1981-)，男，本科，助理工程師，主要研究方向：新能源開(kāi)發(fā)利用。

田穎(1981-)，女，碩士，講師，主要研究方向：半導(dǎo)體集成電路設(shè)計(jì)及制造。