[發明專利]應用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測淬滅電路

有效

• 申請號: 201610901963.8
• 申請日: 2016-10-17
• 公開（公告）號: CN106338339B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 鄭麗霞;胡歡;翁子清;姚群;吳金;孫偉鋒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種應用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測淬滅電路，屬于半導體技術領域。

背景技術

單光子探測技術是一種基于單光子的探測技術，它可以檢測極微弱的光信號，是近年來發展起來的一項新興的探測技術。它可以應用于醫療診斷、天文觀測、國防軍事、光譜測量、量子電子學等領域。工作于蓋革模式的雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode，APD)是一種應用最為廣泛的單光子探測器。

APD工作于蓋革模式時反向偏置電壓高于其雪崩電壓，具有極高的電流增益，可檢測到單光子，因此被稱為單光子雪崩光電二極管(SPAD)。當SPAD感應到單個光子時，光子在耗盡層被吸收并轉化為電子-空穴對，光生電子-空穴對能夠以一定的概率觸發雪崩擊穿，雪崩能夠自我維持，使得電流迅速增加，在亞納秒時間內雪崩電流能夠迅速上升至毫安量級。在蓋革模式下，雪崩擊穿是一種自持的行為，雪崩電流需要及時的淬滅，否則持續的雪崩電流會產生過度的功耗，造成探測器發熱，并且無法進行下一次檢測。所以，SPAD需要相應的高速淬滅電路與之配合。

當前，隨著單片集成技術和混合集成技術的發展以及探測器制作水平的提高，SPAD正向陣列化發展。SPAD陣列規模的擴大給淬滅電路的設計帶來了極大的難度。具體表現為：

1、在凸點集成方式中，SPAD像素陣列與讀出電路像素陣列是一一對應連接的，即每個讀出電路像素單元的面積、位置應和相應的SPAD像素單元嚴格的匹配。即讀出電路的像素單元面積由SPAD像素的間距決定。為了獲得較大的光敏面積填充系數，提高SPAD的量子效率，SPAD的像素間距需要足夠的小，因此讀出電路的像素單元面積受到了嚴格的限制作為像素重要組成模塊的淬滅電路也同樣有緊湊型面積的要求。

2、在大陣列應用中，像素電路的數量成倍增加，單個像素電路的功耗增加會對整個芯片產生很大的影響。從靜態功耗考慮，大陣列讀出電路的版圖比較大，如果像素靜態電流過大，會導致在引線的電壓跌落較大，引起芯片內部工作電壓的不均勻跌落。從動態功耗的角度來看，所有像素的瞬態啟動會產生較大的瞬態電流，而當負載瞬態電流發生變化時，由于負載芯片內部晶體管電平轉換速度極快，必須在極短的時間內為負載芯片提供足夠的電流。但是穩壓電源無法很快響應負載電流的變化，導致電流無法即刻響應負載瞬態電流的變化，造成負載芯片電壓的跌落。因此，讀出電路系統功耗的降低尤為重要。而讀出電路中，最大的功耗來源就是像素電路，淬滅電路作為像素電路的組成部分，其功耗也受到了嚴格的限制。

3、大陣列淬滅電路的設計不僅受到面積和功耗的限制，同時還需要克服大陣列應用的不均勻性、噪聲、光學串擾、后脈沖等非理想因素的影響。其中光學串擾、后脈沖效應發生的幾率正比于SPAD在雪崩過程中產生的雪崩電荷數量，因此減少雪崩電荷數量可有效抑制光學串擾、后脈沖效應。故淬滅電路的負載電容應盡量小，淬滅速度應盡量快。另外，為減小淬滅電路的死區時間，復位時間也不宜過長。

淬滅電路經歷了被動淬滅到主動淬滅的發展，而后又出現了主被動混合式淬滅和門控模式。現在已有的淬滅電路大多是基于電阻檢測設計的，然而電阻等無源器件的使用會擴大版圖面積、增加瞬態功耗，不利于大規模集成。少數基于電容檢測的淬滅電路又因結構復雜、面積過大或存在電荷分享問題等難以應用到陣列中。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種應用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測淬滅電路：首先，本發明利用SPAD結電容感應雪崩電流，采用單管對SPAD陽極電壓進行檢測，以提高感應和檢測速度，并降低電路的面積；同時，本發明利用電容的充電特性，使得對瞬態功耗的需求較普通的電阻檢測方法大大降低，能夠降低對供電電源的要求；另外，本發明針對不同SPAD的特性，通過設置可調時間的復位電路，以增加電路應用的靈活性。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：