一個高速、低DCRSPAD設計與仿真

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 仁愛學院，天津 300222)

一個高速、低DCRSPAD設計與仿真

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 仁愛學院，天津 300222)

采用有源淬滅和有源復位電路，設計一種全集成高速、低暗計數(shù)率(DCR)單光子雪崩二極管探測器(SPAD)。與被動式淬滅電路相比，該結(jié)構(gòu)通過減小流過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，它可在納秒級內(nèi)反饋關斷雪崩并準備好下一次探測，因而具有更快的相位轉(zhuǎn)換速度、更少的計數(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領域。仿真時采用SPAD的SPICE簡化模型和MATLAB增強模型，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；暗計數(shù)率

0 引言

近年來，單光子檢測技術在微弱光信號測量領域應用非常廣泛：緩慢變化的光階可以通過光子計數(shù)測量；而快速變化的光波可以通過光子計時測量[1]。可以實現(xiàn)單光子計數(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，由一個反偏p-n結(jié)、淬滅電路和復位電路組成。p-n結(jié)(如圖1所示)，其反向偏壓高于VBD時叫做蓋革模式(Geigermode)，超出VBD部分叫做過偏置電壓(ExcessBiasVoltage, Vov)。當其工作在蓋革模式時，增益相當于無窮大(遠遠大于APD)。p-n結(jié)耗盡區(qū)中的電場強度很大，單個光生電子-空穴對即可觸發(fā)一次毫安級的雪崩倍增效應。淬滅電路的作用是使SPAD退出雪崩倍增自持效應，而復位電路的作用是使SPAD恢復到蓋革模式，準備下一次的光子檢測。如果促發(fā)雪崩倍增效應的電子-空穴對不是外界光源，而是器件內(nèi)部的無機熱激發(fā)導致的誤計數(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 被動式淬滅電路

圖2 被動式淬滅電路pixel原理圖

一個簡單的被動式淬滅電路是通過一個大電阻Rq(大約幾百千歐)與SPAD串聯(lián)分壓實現(xiàn)的[12]，如圖2所示。SPAD的陽極電位偏置在較高的負電位VOP，陰極則通過淬滅電阻Rq與VDD相連接，事件信號VA通過一個標準的CMOS反相器讀出(輸出范圍為0-VDD，閾值略高于Vov)。靜態(tài)時，SPAD工作在蓋革模式下，二極管中沒有電流流過，無事件信號輸出。當有光子事件發(fā)生時，雪崩電流通過A點電容(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(相當于|VOP|+VDD)降到VBD。因而VA從VDD降至Vov(低于NMOS管閾值電壓)導致反相器輸出為高電平VDD，淬滅時間大致為幾納秒[13]。在文獻[13]中，VA電位從Vov通過復位電路充電至VDD(蓋革模式)所需時間為幾十納秒。這樣，光子探測結(jié)果就可以通過一個0～VDD的數(shù)字信號標示出來了。通常淬滅時間和復位時間之和稱為死時間，其值與二極管寄生電容和淬滅電阻阻值大小有關。死時間內(nèi)，探測器無法工作。

圖3給出了利用SPAD的簡化模型[14]繪制的被動式淬滅電路光子事件探測仿真結(jié)果，設定淬滅電阻RQ為 270kΩ，雪崩電流感應電阻RS取50Ω，結(jié)電容CAC取4pF，陽極襯底電容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，上升時間和下降時間都為5ns。由上至下三條曲線A、B、C分別為光子事件信號、 二極管兩端電壓、SPAD像素電路的輸出信號?？梢钥闯觯琒PAD的充電復位過程(中間曲線)較慢，死時間較長(μs級)。

圖3 被動式淬滅電路光子事件探測仿真結(jié)果

2 主動式淬滅電路

被動式淬滅電路復位時間較長。電路中流過大的雪崩電流也會使后脈沖效應(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的探測速度、降低暗記數(shù)率，設計優(yōu)秀的主動淬滅快速淬滅、恢復電路非常重要。

有源淬滅電路的基本思路是減小流過SPAD的雪崩電荷，這樣可以減少三個方面的負面影響：(1)后脈沖效應。一小部分雪崩載流子被較深能級捕獲、釋放后可以再次激發(fā)SPAD，加大探測器噪聲[15]。(2)熱激發(fā)。VBD增加，Vov減小，探測效率下降，導致非線性效應。(3)雪崩效應時，熱載流子激發(fā)的二次光子可以導致相鄰探測器的偽激發(fā)。因此，設計了一種像素級主動淬滅與快速恢復探測器，它可在納秒級內(nèi)反饋關斷雪崩并準備好下一次探測，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(通過調(diào)節(jié)其輸出電阻，不僅可以控制hold-off時間以使后脈沖發(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，當SPAD受到光子激發(fā)時，雪崩電流很大，這時M1工作在線性區(qū)，像個恒流源承擔大部分壓降，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Reset為M2導通時，VDiode通過M2對SPAD的陰極充電，使SPAD恢復蓋革模式，準備下一次的檢測。M3為NMOS器件，導通時可以使SPAD兩端偏壓低于VBD，也可以防止SPAD復位或禁用該SPAD。它與M2采用不同的控制信號以盡可能地降低后脈沖效應。M4、M5將事件信號輸出，M4的柵極信號為SPAD輸出信號V1。

圖4 主動式淬滅電路SPAD原理圖

圖5給出了一個典型的探測和復位時序圖。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Output以及光子事件信號Event。開始時， 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，M3導通，維持V1的低電平，Output為高電平。Reset信號由光源觸發(fā)，當有光子事件發(fā)生時，Reset為低電平，M3截止，M2導通，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。這種設計的死時間僅有幾納秒，相比被動淬滅電路性能大大提高。

圖5 主動式淬滅電路光子事件探測時序圖

暗記數(shù)率(DCR)指的是在沒有光照時，由于熱激發(fā)或者帶間隧穿效應在SPAD器件耗盡區(qū)產(chǎn)生電子空穴對可能導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)計特性，仿真時采用文獻[16]、[17]提出的更為精確的增強模型。使用MATLAB軟件建模時，以載流子的產(chǎn)生/復合機制下的間隔時間Δtcg為Lambda值，直接利用函數(shù)random(‘poisson’,Lambda,m,n)隨機返回m行n列按照泊松分布的時間值來標記暗記數(shù)現(xiàn)象發(fā)生的時刻。單位時間內(nèi)發(fā)生暗記數(shù)的次數(shù)即暗計數(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)設置如表1所示[6-7]。

表1 各元件參數(shù)設置

圖6 暗記數(shù)與仿真時間關系圖

圖6給出了在Vov為2.5V時室溫條件下暗記數(shù)現(xiàn)象的仿真結(jié)果。在進行暗記數(shù)的仿真時，SPAD不接收外部光信號。從圖中可以看到由于熱激發(fā)導致的暗記數(shù)出現(xiàn)時間是隨機的，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淬滅電路設計了一種高速、低DCR的SPAD，仿真時采用SPAD的SPICE簡化模型和增強模型，綜合考慮了直流和統(tǒng)計特性，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的死時間大大減小，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. 一個高速、低DCRSPAD設計與仿真 [J].微型機與應用，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：新能源開發(fā)利用。

田穎(1981-)，女，碩士，講師，主要研究方向：半導體集成電路設計及制造。