面向抑制边缘提前击穿的CMOS单光子雪崩二极管保护环结构比较分析与设计指南

《IEEE Sensors Reviews》：Guard Ring Design Guidelines for CMOS Single Photon Avalanche Diodes

　　

摘要：

在互补金属氧化物半导体（CMOS）技术中，单光子雪崩二极管（SPAD）设计中的边缘提前击穿（PEB）仍然是一个关键挑战。为了缓解这一问题，必须仔细设计保护环（GR）结构，以降低 pp-nn 结边缘处的电场，同时不损害其他关键性能指标，如暗计数率（DCR）和光子检测效率（PDE）。我们通过文献综述和数值模拟，调查并比较了 CMOS SPAD 中不同的 GR 结构。探索了四种广泛使用的 GR 结构，包括浅槽隔离（STI）、扩散 GR、虚拟 GR 和多晶硅栅 GR，以及混合和扩展 GR 相关策略。此外，使用 COMSOL Multiphysics 进行有限元模拟，以评估这些 GR 结构抑制 PEB 的有效性，并比较代表性 GR 结构的电场重新分布和雪崩触发倾向，同时基于报道的结果深入讨论了它们对 DCR、PDE 和填充因子（FF）的影响。基于对不同 GR 结构的比较分析，提出了优化 CMOS SPAD 中 GR 设计的未来研究方向，以满足新兴应用所需的性能。本工作呈现的调查结果可作为 CMOS SPAD 中 GR 结构的实际设计指南。