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CMOS技術(shù)的SPAD探測器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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)合科研團隊在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。

這項研究報道了一種利用55 nm雙極型CMOS-DMOS（BCD）技術(shù)實現(xiàn)的SPAD。為了在保持擊穿電壓（VB）小于20 V的情況下實現(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在光子探測概率（PDP）、暗計數(shù)率（DCR）和時間抖動（Timing Jitter）等方面的性能出色，擊穿電壓低至16.1 V。

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)，總直徑達到14.4 μm，如圖2所示。兩層結(jié)構(gòu)均是該技術(shù)的標準形式，其優(yōu)勢主要包括：（i）PLDD產(chǎn)生較少的注入引起的缺陷（implantation-induced defect），從而實現(xiàn)低噪聲SPAD運行；（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，研究人員利用Okuto的雪崩擊穿模型對SPAD進行了TCAD仿真，驗證了SPAD的E場分布，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的簡化光線追蹤結(jié)果

圖6 利用TCAD仿真得到“峽谷”（canyon）BCD-SPAD的簡化光線追蹤結(jié)果

隨后，研究人員對BCD-SPAD的I-V特性、光發(fā)射、PDP、DCR以及時間抖動進行了測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 BCD-SPAD相關(guān)性能測試

綜上所述，這項研究開發(fā)并表征了一種利用55 nm BCD技術(shù)實現(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行。為了提高其探測效率，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，時間抖動為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。

這項研究獲得了韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）合作項目（2E32242）的資助和支持。

審核編輯：劉清