CN109904273A - 一种cmos spad光电器件的等效电路 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种CMOS SPAD器件的等效电路，主要包括P+/中心N阱结阻抗、器件内部两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗等。在等效电路中加入电流源是为了模拟光生载流子在器件内部的运动情况，其中，P+/中心N阱结的阻抗可以分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，Ra、La、Rl代表倍增区阻抗，Rd、Rs代表漂移区阻抗。由于倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟引起的，所以在倍增区中存在电感La元件；电容C代表P+/中心N阱的结电容。器件内部两侧的P+/N阱结阻抗采用电容Cp+/n‑well和电阻Rp+/n‑well串联的方式代替，在中心N阱/P衬底结阻抗中除了包括N阱区域电阻Rwell、和中心N阱/P衬底结电容Csub1，还加入了并联方式的电容Csub2和电阻Rsub。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，涉及到SPAD光电器件的光电性能分析，尤其涉及CMOS SPAD光电器件的等效电路模型设计。
背景技术
单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)又称为SPAD，是一种工作在盖革模式(工作电压大于击穿电压)下的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode)。由于SPAD工作在盖革模式下，可以对单个光子进行探测，因而该器件在汽车的LIDAR系统、质子发射谱(PET)、光子及量子通信技术、荧光寿命成像、三维成像技术等领域都有着巨大的应用前景。
CMOSSPAD的器件结构，可以按其保护环的类型分为两大类。一种是扩散型保护环结构，也就是在PN结边缘处采用轻掺杂的N阱或P阱，这种类型的SPAD器件的暗计数率普遍较高，一般在几十KHz到几百KHz之间。另一种是虚拟保护环结构，这种结构的特点是PN结位于渐变的深N阱中，靠近PN结处的深N阱掺杂浓度较低，而远离PN的深N阱掺杂浓度较高，这样在PN结边缘处形成虚拟保护环。这种结构的暗计数率要低很多，一般在几Hz到几百Hz之间。
在由工作在盖革模式下的CMOSAPD器件所构成的高灵敏度传感器中，每一个像素中的传感器是一个单光子雪崩二极管，可以同时满足异常时间分辨率和光学灵敏度的要求。目前，对于CMOS SPAD器件等效电路模型的研究工作还处在起步阶段。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种CMOS SPAD光电器件的等效电路。本发明的技术方案如下：
一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，所述CMOS SPAD光电器件包括阳极、阴极、P+、N+、N阱、中心N阱及P-衬底，中心N阱和P+之间的区域为雪崩区，其特征在于，所述等效电路包括P+/中心N阱结阻抗、两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗，所述P+/中心N阱结的阻抗分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，电阻Ra、电感La及电阻Rl代表倍增区阻抗，电阻Ra和电感La串联后与电阻Rl并联，Ra、La、电阻Rd、电阻Rs代表漂移区阻抗，电阻Rd的一端和倍增区阻抗的电阻Rl相连接，电阻Rd的另一端和电阻Rs相连接；电阻Rl两端还并联有电容C，电容C代表P+/中心N阱的结电容；
所述两侧的P+/N阱结阻抗包括电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well，电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well串联；
所述中心N阱/P衬底结阻抗包括N阱区域电阻Rn-well/p-sub、中心N阱/P衬底结电容Csub1，还包括并联的电容Csub2和电阻Rsub，并联后的电容Csub2和电阻Rsub与中心N阱/P衬底结电容Csub1相连接；
焊盘阻抗Zpad依次与电感Lp1、电阻Rp1相连接，Rp1还分别与电容Cp、电阻Rp+/n-well相连接，焊盘阻抗Zpad还依次与电感Lp2、电阻Rp2相连接，Rp2还分别与电阻Rp+/n-well、电阻Rl、电阻Rp+/n-well相连接，P+/中心N阱结阻抗两端还设置有电流源Ip。
进一步的，所述电路中的Rp1、Rp2、Lp1、Lp2、Cp为寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
进一步的，倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟。
进一步的，通过调节器件的P+层的掺杂浓度、中心N阱层的浓度和厚度以及保护环的宽度，以确定等效电路模型中核心元件La、Ra、Rl、C、Rd、Rs的参数，从而得到等效电路模型的频率响应特性特性曲线，明确影响频率响应带宽的主要因素。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明主要针对P+/中心N阱的SPAD器件结构提出了一种等效电路模型，由于该结构存在由三个相邻N阱构成的n-虚拟保护环，所以在器件的的两侧也形成了PN结，故在前人的研究基础上又加了两侧PN结的等效电路，由于两侧PN结不是器件的主要工作区，所以两侧PN结的等效电路采用电阻和电容串联的方式来模拟。提出这样一种等效电路可以更好的分析器件的频率响应，从而明确限制频率响应带宽的主要因素，为设计高灵敏度的SPAD器件奠定理论基础。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例CMOS SAPD器件结构图；
图2CMOS SAPD器件等效电路模型图；
图3等效电路模型频率响应图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
如图1所示为CMOS SPAD光电器件的结构图。由图可知，在该结构中PN结由重掺杂的P型区与轻掺杂的N阱组成，雪崩区(对应图中的11区域)位于PN结处，雪崩区下方的N阱是主要的光吸收区(对应图中的12区域)。三个N阱之间存在横向扩散，导致PN结边缘处形成了n-虚拟保护环，避免器件过早边缘击穿。该SPAD光电器件的工作原理是入射光射入器件被光吸收区(对应图中的12区域)吸收时，器件内部产生光生载流子，光生载流子在高电场(PN结反向偏压)的作用下漂移运动到雪崩区(对应图中的11区域)，进入雪崩区后，载流子由于碰撞电离进行成倍的增加，从而在器件的输出端形成非常大的光电流。
如图2所示为CMOS SAPD器件的等效电路模型图。由图可知，等效电路模型主要由P+/中心N阱结阻抗、器件两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗等构成。P+/中心N阱结阻抗主要由两部分构成，分别是器件的倍增区阻抗和漂移区阻抗。由于倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟，所以在倍增区中存在电感La元件，电容C表示P+/中心N阱结的结电容，由于SPAD的反向偏置电流是有限的，所以在器件的倍增区会存在电阻Ra和Rl；而电阻Rd和Rs代表的是漂移区的阻抗。对于中心N阱/P衬底结阻抗主要由中心N阱电阻Rn-well/p-sub和中心N阱/P衬底结电容Csub1串联组成，考虑到P型衬底的寄生效应，所以在该阻抗中还加入了采用并联方式的电阻Rsub和电容Csub2。对于器件内部两侧的P+/N阱结阻抗则是由N阱电阻Rp+/n-well和P+/N阱结电容Cp+/n-well串联组成。在等效电路模型中加入了电流源为了模拟光生载流子在器件内部的运动情况，且电流源并联在器件的核心工作区域内(P+/中心N阱的耗尽区)。同时在等效电路模型中还加入了焊盘阻抗和寄生元件阻抗，电路中的Rp1、Rp2、Lp1、Lp2、Cp寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
如图3所示为等效电路模型的频率响应图。由图可知，偏置电流I0＝0.3mA时，频率响应并没有出现峰值，且响应带宽约为1.5GHz。当偏置电流I0＝0.4mA时，频率响应出现了峰值，且响应带宽约为1.8GHz。这说明随着偏置电流的增加响应带宽也会随着增加，主要是因为等效电路模型中的电感La会随着偏置电流的增加而减少，从而使得频率响应出现了峰值，导致带宽增加。为提高器件的响应度奠定了良好的理论基础。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，所述CMOS SPAD光电器件包括阳极、阴极、P+、N+、N阱、中心N阱及P-衬底，中心N阱和P+之间的区域为雪崩区，其特征在于，所述等效电路包括P+/中心N阱结阻抗、两侧的P+/N阱结阻抗、中心N阱/P衬底结阻抗、焊盘阻抗，所述P+/中心N阱结的阻抗分为倍增区阻抗和漂移区阻抗，电阻Ra、电感La及电阻Rl代表倍增区阻抗，电阻Ra和电感La串联后与电阻Rl并联，Ra、La、电阻Rd、电阻Rs代表漂移区阻抗，电阻Rd的一端和倍增区阻抗的电阻Rl相连接，电阻Rd的另一端和电阻Rs相连接；电阻Rl两端还并联有电容C，电容C代表P+/中心N阱的结电容；
所述两侧的P+/N阱结阻抗包括电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well，电容Cp+/n-well和电阻Rp+/n-well串联；
所述中心N阱/P衬底结阻抗包括N阱区域电阻Rn-well/p-sub、中心N阱/P衬底结电容Csub1，还包括并联的电容Csub2和电阻Rsub，并联后的电容Csub2和电阻Rsub与中心N阱/P衬底结电容Csub1相连接；
焊盘阻抗Zpad依次与电感Lp1、电阻Rp1相连接，Rp1还分别与电容Cp、电阻Rp+/n-well相连接，焊盘阻抗Zpad还依次与电感Lp2、电阻Rp2相连接，Rp2还分别与电阻Rp+/n-well、电阻Rl、电阻Rp+/n-well相连接，P+/中心N阱结阻抗两端还设置有电流源Ip。
2.根据权利要求1所述的一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，其特征在于，所述电路中的Rp1、Rp2、Lp1、Lp2、Cp为寄生元件阻抗，其中Cp指的是P+电极和N+电极之间的电容；在焊盘阻抗中，Cpad1表示信号焊盘和底部金属层之间的电容，Cpad2和Rpad1是由信号垫到基板的信号泄露引起的，Rpad2和Lpad是由互联线引起的寄生电阻和电感。
3.根据权利要求1所述的一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，其特征在于，倍增区的交流传导电流相对于交流电压有一个90°的相位延迟。
4.根据权利要求1所述的一种CMOS SPAD光电器件的等效电路，其特征在于，通过调节P+层的掺杂浓度、中心N阱层的浓度和厚度以及虚拟保护环的宽度，以确定等效电路模型中核心元件La、Ra、Rl、C、Rd、Rs的参数，从而得到等效电路模型的频率响应特性特性曲线，明确影响频率响应带宽的主要因素。
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