如何利用55 nm BCD技术实现高性能SPAD呢？
单光子雪崩二极管（spad）是各类应用需求量很大的器件，特别是在生物医学实践方面。以cmos技术制备的spad凭借其低制造成本、可大规模量产以及与电路的单片集成能力等优势而备受关注。此外，随着“摩尔定律”等比例缩微，cmos-spad的优势在像素分辨率、尺寸及功能等方面愈加突出。因此，诸多研究都在尝试开发基于先进cmos技术的spad探测器。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国科学技术研究院（kist）、瑞士洛桑联邦理工学院（epfl）、延世大学（yonsei university）和格罗方德半导体（globalfoundries）新加坡工厂的联合科研团队在ieee journal of selected topics in quantum electronics期刊上发表了以“spad developed in 55 nm bipolar-cmos-dmos technology achieving near 90% peak pdp”为主题的论文。该论文的第一作者为kist和epfl的won-yong ha，通讯作者为epfl的edoardo charbon、延世大学的woo-young choi和kist的myung-jae lee。
这项研究报道了一种利用55 nm双极型cmos-dmos（bcd）技术实现的spad。为了在保持击穿电压（vb）小于20 v的情况下实现高性能，由p型轻掺杂漏极（pldd）与高电压n阱（hvnw）层形成结。此外，spad上方的介电层被适当蚀刻，以减少多层反射。该spad在光子探测概率（pdp）、暗计数率（dcr）和时间抖动（timing jitter）等方面的性能出色，击穿电压低至16.1 v。
图1为两种spad结构的截面图，两种spad具有相同的器件结构，pldd与hvnw层形成了直径9 μm的pn结，总直径达到14.4 μm，如图2所示。两层结构均是该技术的标准形式，其优势主要包括：（i）pldd产生较少的注入引起的缺陷（implantation-induced defect），从而实现低噪声spad运行；（ii）hvnw利用pldd层提供了适当的耗尽区，该区域足够宽，可以防止带间隧穿，但同时不过分宽，避免击穿电压显著增加。
图1 bcd-spad的横截面
图2 bcd-spad的掺杂浓度分布图谱
在击穿电压（vb）16 v、额外偏置电压（ve）7 v时，研究人员利用okuto的雪崩击穿模型对spad进行了tcad仿真，验证了spad的e场分布，仿真结果如图3至图6所示。
图3 利用tcad仿真得到bcd-spad的电场分布图谱
图4 利用tcad仿真得到bcd-spad的击穿概率分布图谱
图5 利用tcad仿真得到无“峡谷”（canyon）bcd-spad的简化光线追踪结果
图6 利用tcad仿真得到“峡谷”（canyon）bcd-spad的简化光线追踪结果
随后，研究人员对bcd-spad的i-v特性、光发射、pdp、dcr以及时间抖动进行了测试，结果如图7所示。
图7 bcd-spad相关性能测试
综上所述，这项研究开发并表征了一种利用55 nm bcd技术实现的高性能spad。利用bcd技术中的可用层，在低击穿电压（vb）下将spad结构优化为低噪声且高效率运行。为了提高其探测效率，研究人员使用“峡谷”（canyon）蚀刻来减少多层反射。当击穿电压（vb）为16.1 v，该spad在450 nm处峰值pdp为89.4%、dcr为38.2 cps/μm²；当额外偏置电压（ve）为7 v时，时间抖动为66 ps。研究结果表明，所提出的spad在多种生物医学应用领域具有巨大潜力。
这项研究获得了韩国科学技术研究院（kist）合作项目（2e32242）的资助和支持。
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这项研究报道了一种利用55 nm双极型cmos-dmos（bcd）技术实现的spad。为了在保持击穿电压（vb）小于20 v的情况下实现高性能，由p型轻掺杂漏极（pldd）与高电压n阱（hvnw）层形成结。此外，spad上方的介电层被适当蚀刻，以减少多层反射。该spad在光子探测概率（pdp）、暗计数率（dcr）和时间抖动（timing jitter）等方面的性能出色，击穿电压低至16.1 v。
图1为两种spad结构的截面图，两种spad具有相同的器件结构，pldd与hvnw层形成了直径9 μm的pn结，总直径达到14.4 μm，如图2所示。两层结构均是该技术的标准形式，其优势主要包括：（i）pldd产生较少的注入引起的缺陷（implantation-induced defect），从而实现低噪声spad运行；（ii）hvnw利用pldd层提供了适当的耗尽区，该区域足够宽，可以防止带间隧穿，但同时不过分宽，避免击穿电压显著增加。
图1 bcd-spad的横截面
图2 bcd-spad的掺杂浓度分布图谱
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图3 利用tcad仿真得到bcd-spad的电场分布图谱
图4 利用tcad仿真得到bcd-spad的击穿概率分布图谱
图5 利用tcad仿真得到无“峡谷”（canyon）bcd-spad的简化光线追踪结果
图6 利用tcad仿真得到“峡谷”（canyon）bcd-spad的简化光线追踪结果
随后，研究人员对bcd-spad的i-v特性、光发射、pdp、dcr以及时间抖动进行了测试，结果如图7所示。
图7 bcd-spad相关性能测试
综上所述，这项研究开发并表征了一种利用55 nm bcd技术实现的高性能spad。利用bcd技术中的可用层，在低击穿电压（vb）下将spad结构优化为低噪声且高效率运行。为了提高其探测效率，研究人员使用“峡谷”（canyon）蚀刻来减少多层反射。当击穿电压（vb）为16.1 v，该spad在450 nm处峰值pdp为89.4%、dcr为38.2 cps/μm²；当额外偏置电压（ve）为7 v时，时间抖动为66 ps。研究结果表明，所提出的spad在多种生物医学应用领域具有巨大潜力。
这项研究获得了韩国科学技术研究院（kist）合作项目（2e32242）的资助和支持。
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