單光子雪崩二極管（SPAD）是各類應(yīng)用需求量很大的器件，特別是在生物醫(yī)學(xué)實(shí)踐方面。以CMOS技術(shù)制備的SPAD憑借其低制造成本、可大規(guī)模量產(chǎn)以及與電路的單片集成能力等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。此外，隨著“摩爾定律”等比例縮微，CMOS-SPAD的優(yōu)勢(shì)在像素分辨率、尺寸及功能等方面愈加突出。因此，諸多研究都在嘗試開發(fā)基于先進(jìn)CMOS技術(shù)的SPAD探測(cè)器。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）、延世大學(xué)（Yonsei University）和格羅方德半導(dǎo)體（GlobalFoundries）新加坡工廠的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics期刊上發(fā)表了以“SPAD Developed in 55 nm Bipolar-CMOS-DMOS Technology Achieving Near 90% Peak PDP”為主題的論文。該論文的第一作者為KIST和EPFL的Won-Yong Ha，通訊作者為EPFL的Edoardo Charbon、延世大學(xué)的Woo-Young Choi和KIST的Myung-Jae Lee。
這項(xiàng)研究報(bào)道了一種利用55 nm雙極型CMOS-DMOS（BCD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SPAD。為了在保持擊穿電壓（VB）小于20 V的情況下實(shí)現(xiàn)高性能，由p型輕摻雜漏極（PLDD）與高電壓N阱（HVNW）層形成結(jié)。此外，SPAD上方的介電層被適當(dāng)蝕刻，以減少多層反射。該SPAD在光子探測(cè)概率（PDP）、暗計(jì)數(shù)率（DCR）和時(shí)間抖動(dòng)（Timing Jitter）等方面的性能出色，擊穿電壓低至16.1 V。
(資料圖片僅供參考)
圖1為兩種SPAD結(jié)構(gòu)的截面圖，兩種SPAD具有相同的器件結(jié)構(gòu)，PLDD與HVNW層形成了直徑9 μm的PN結(jié)，總直徑達(dá)到14.4 μm，如圖2所示。兩層結(jié)構(gòu)均是該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式，其優(yōu)勢(shì)主要包括：（i）PLDD產(chǎn)生較少的注入引起的缺陷（implantation-induced defect），從而實(shí)現(xiàn)低噪聲SPAD運(yùn)行；（ii）HVNW利用PLDD層提供了適當(dāng)?shù)暮谋M區(qū)，該區(qū)域足夠?qū)?，可以防止帶間隧穿，但同時(shí)不過分寬，避免擊穿電壓顯著增加。
圖1 BCD-SPAD的橫截面
圖2 BCD-SPAD的摻雜濃度分布圖譜
在擊穿電壓（VB）16 V、額外偏置電壓（VE）7 V時(shí)，研究人員利用Okuto的雪崩擊穿模型對(duì)SPAD進(jìn)行了TCAD仿真，驗(yàn)證了SPAD的E場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如圖3至圖6所示。
圖3 利用TCAD仿真得到BCD-SPAD的電場(chǎng)分布圖譜
圖4 利用TCAD仿真得到BCD-SPAD的擊穿概率分布圖譜
圖5 利用TCAD仿真得到無“峽谷”（canyon）BCD-SPAD的簡(jiǎn)化光線追蹤結(jié)果
圖6 利用TCAD仿真得到“峽谷”（canyon）BCD-SPAD的簡(jiǎn)化光線追蹤結(jié)果
隨后，研究人員對(duì)BCD-SPAD的I-V特性、光發(fā)射、PDP、DCR以及時(shí)間抖動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。
圖7 BCD-SPAD相關(guān)性能測(cè)試
綜上所述，這項(xiàng)研究開發(fā)并表征了一種利用55 nm BCD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能SPAD。利用BCD技術(shù)中的可用層，在低擊穿電壓（VB）下將SPAD結(jié)構(gòu)優(yōu)化為低噪聲且高效率運(yùn)行。為了提高其探測(cè)效率，研究人員使用“峽谷”（canyon）蝕刻來減少多層反射。當(dāng)擊穿電壓（VB）為16.1 V，該SPAD在450 nm處峰值PDP為89.4%、DCR為38.2 cps/μm2；當(dāng)額外偏置電壓（VE）為7 V時(shí)，時(shí)間抖動(dòng)為66 ps。研究結(jié)果表明，所提出的SPAD在多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。
這項(xiàng)研究獲得了韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）合作項(xiàng)目（2E32242）的資助和支持。
論文鏈接：http://doi.org/10.1109/JSTQE.2023.3303678
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