基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究硕士学位论文.docx

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基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究硕士学位论文

重庆大学硕士学位论文

（学术学位）

基于CMOS工艺SPAD的

单光子探测技术研究

Studyonsingle-photondetectorBasedonCMOSTechnologySingle-PhotonAvalancheDiode

AThesisSubmittedtoChongqingUniversity

InPartialFulfillmentoftheRequirementforthe

Master’sDegreeofEngineering

By

YanXuliang

SupervisedbyAssociateProf.MengLiya

Specialty:

InstrumentScienceandTechnology

CollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqing

University,Chongqing,China

May,2015

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

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日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

摘要

光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。

单光子信号由于强度微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限。

同时单光子信号又是一种普遍存在的信息载体，在日常生活、工业生产、科学研究以及国防军事等各方面都有着广泛应用，因而近年来受到研究人员重视。

单光子探测技术主要体现在以下几方面：

有极高增益的单光子探测器件，控制单光子探测器件并对信号进行处理的快速电路，器件和电路的集成技术，大规模像元阵列的制作及拼接。

目前在单光子探测方面亟待解决的问题有：

单光子探测器工艺复杂、工作电压高、价格昂贵、重复性差，外围电路响应速度慢、版图面积大，对单光子探测器和相关电路的混合拼接易导致性能下降、噪声变大。

为解决上述问题，本文在中央高校基本业务费资助项目（NO.12120001）支持下，对单光子探测技术进行了研究。

文章选用实验室设计的带保护环结构的CMOS工艺兼容的雪崩光电二极管作为单光子探测器件，对雪崩光电二极管的工作原理和相关参数进行了介绍。

用等效电路模型代替雪崩光电二极管在软件中进行仿真，分析比较了雪崩光电二极管的三种淬灭模式，选择主动淬灭电路控制雪崩光电二极管，用高速电压比较电路作为雪崩信号甄别电路，设计了数字和模拟结构的计数电路。

在此基础上完成了单光子探测像元电路，包括雪崩光电二极管等效电路、淬灭复位电路、雪崩信号甄别电路、光子计数电路等。

仿真结果显示电路探测速度可达5ns，淬灭电路死时间约2.690ns，从光子信号进入到计数完成整体电路传输延时约3.0572ns，计数电路在线性模式下的计数容量为55。

此外，还对时间相关单光子计数的原理和基本电路结构进行介绍，用高速电压比较电路进行光子到达定时，阐述几种时间数字转化技术，设计了基于S-R锁存器的时间放大电路和基于电流偏置比例的时间放大电路。

关键词：

单光子探测，雪崩光电二极管，光子计数，时间相关单光子计数

ABSTRACT

Opticalsignalswilldisperseintophotonswhenitisextremelyweak，becalledassingle-photonsignal．Asitsweakintensityandsignificantparticles，Single-photonishardtodetectbyconventionalmeanstestingandconsideredtobethelimitofthephotoelectricdetectiontechnology．But，single-photonasakindofwidespreadinformationcarrierhasbeenhighlyregardandwidelyappliedinthedailylife，industrialproduction，scientificresearchandmilitaryareas．

Single-photondetectiontechnologyismainlymanifestedinthefollowingrespects：

singlephotondetectorwithaveryhighgain，extremelyfastcircuitstocontrolthesingle-photondetectorandprocessingsingle，integrationofdevicesandcircuits，accomplishinglarge-scalearray．Thereareaseriesofproblemstobesolvedinpracticalapplication．Thecharacteristicofsingle-photondetectorispoorintechnology，workingvoltage，price，repeatability．Circuitsworkslowandtakemuchlayout．Thehybirdintegrationofdevicesandcircuitseasilyleadtoperformancedegradationandnoiseenhancement．

Thisarticlewithsupportofthecentralcollegesanduniversitiesscientificresearchbasicbusinessfindingresearchedsingle-photondetectiontechnologytosolvetheaboveproblems．ThepaperputforwardtouseCMOStechnologyavalanchephotodiodewithprotectionringassingle-photondetectorandintroduceditsworkingprincipleandcharacteristicparameters．Thepaperusedtheequivalentcircuitmodelinsteadofavalanchephotodiodeinthecircuitsimulation，comparedthreekindsofquenchingmodelandselectedactivequenchingcircuitcontrollingavalanchephotodiode，designedhighspeedvoltagecomparsioncircuitscreeningavalanchesignal，plannedtwocountingcircuit．Asanimportantwork，weconstructedancompletepixelcircuit，includingtheequivalentcircuitofavalanchephotodiode，thequenchingandresettingcircuit,avalanchesignaldiscriminationcircuit，photoncountingcircuit，etc．Thesimulationresultsshowthattheminimumdetectiontimeis5ns，deadtimeofquenchingcircuitisapproximately2.690ns，thetimefromphotonintodetectortoaccomplishcountinglast3.0572ns，countinginlinearmoderangefrom0to55．Inaddition，paperintroducedtheprincipleandcircuitstructureoftimecorrelatedsinglephotoncounting，appliedvoltagecomparatordefiningtimeofphotonarriving，statedseveraltypicalkindsoftimetodigitalconverter，designedtwotypestimeamplifiercircuitbasedonS-Rlanchandcurrentbiasratio．

Keywords:

single-photondetector，avalanchephotodiode，photoncounting，TCSPC

1绪论

1.1引言

21世纪是信息社会，信息的获取、传输、处理至关重要，人类主要通过视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等方式感受外界信息，由于图像信息直观、内容丰富、易处理，因而大部分情况下人们都通过图像来感受、描述和存储信息。

随着社会的发展、科技的进步，人类发明制造了各种工具来帮助自己更好的获取图像信息，早期主要是一些简单的光学器件，如凸透镜、凹透镜、折射镜、棱镜等等。

随着集成电路设计水平和半导体加工技术的发展，人们得以通过光电探测器和相关电路得到更多复杂情况下图像信息。

目前常规的光学成像技术已经较为成熟，但针对极微弱光的探测技术才刚刚起步，有待于进一步提高。

普通的光源以光强为计量单位，当光的强度衰减到一定程度，就会离散成一个个的光子，这就是单光子源。

单光子源作为一种极微弱光，被认为是光电探测技术的极限，在日常生活、工业生产、科学研究、国防军事等方面，单光子都作为一种重要的信息载体供人们挖掘和应用。

单光子是极微弱的光信号，在普通光电探测器件中产生的信号信噪比远小于1，难以提取有效信号，因此需要选用合适的单光子探测器通过特殊方法对单光子进行探测。

对单光子进行探测是一项很有意义的微弱光信号探测技术，国内外科研人员已在该领域投入了大量的精力研究，应用主要集中在天文观测、高超音速飞行器探测预警、国土安全与监视、大气测污、远程激光测距、远程激光三维成像、水下目标探测、弱光波前传感、生物波导探测、粒子物理学、星地与星际激光通信、量子加密和荧光寿命成像等领域[1-10]。

单光子探测系统主要有两个部分，一是有极高增益的光电转换器件，可以感应单光子信号并将其转换为一个较大的电信号，如雪崩光电二极管、光电倍增管、CCD相机等；二是具有极高时间分辨率的外围电路，如淬灭复位电路、信号处理电路、计数电路等等。

本文针对可用于生物医学荧光寿命成像的单光子雪崩二极管成像技术进行探究，提出初步方案，包括雪崩二极管的等效电路模型、淬灭复位电路、信号甄别电路、计数电路、时间放大电路等部分。

1.2单光子探测技术

根据被测光强度和对信号记录方式的不同，可把对光信号的探测分为两种：

模拟探测模式和单光子计数模式[11]。

模拟探测模式是响应光信号后对能量进行叠加，输出信号反映的是入射光光强。

单光子计数模式是将光信号看作一个个的光子，每个光子产生一个信号，在一定时间内对信号数目进行统计，输出结果是被测光的光子个数。

一般而言模拟探测模式的探测系统结构简单，但是在测量极微弱信号时信噪比远小于1，有效信号难以提取，因而主要用于较强光信号的测量。

单光子计数模式针对的是极微弱光信号，这样的光信号已经离散成一个个的光子、更多体现的是粒子性，通过信号甄别电路提取有效信号、再用计数电路统计信号数目统计，就能实现对微弱信号的探测。

单光子计数技术的典型结构如图1.1所示：

图1.1单光子计数装置结构

Fig.1.1Processdiagramofsingle-photoncounting

要对光信号进行探测，首先要选择合适的感光元器件，通过光电效应、光电导效应、光伏效应和光电热效应等实现光电信号的转换[12]。

目前主流的单光子探测器件主要有光电倍增管（photomultipliertube，PMT）、微通道板（MicrochannelPlate，MCP）、电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，CCD）、单光子雪崩二极管（SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD）等，主要的考虑因素有增益、噪声、灵敏度、工作电压、响应范围、响应速度、空间分辨率、量子效率、成本等[13]。

光电倍增管是一种基于光电效应和二次电子发射效应的真空光电转换器件[14]，其基本工作原理是光阴极在吸收入射光子后向真空发射光电子，具有高电场的二次倍增系统对光电子加速使其获得很高的能量，当光电子聚焦在第一次级时就能冲击次级产生更多的电子，然后这些电子再被加速，聚焦于第二次级，一般会进行10次以上这样的倍增，最后在电位很高的阳极收集电子，增益可达到108。

光电倍增管具有增益高、暗电流低、灵敏度高、光谱响应范围大、响应时间快等优点，因而得到广泛应用。

但是其复杂的结构和庞大的体积会导致像元感光面积相对减小，而且成本高、供电电源高（约1000V），工作时往往需要额外的光学器件滤除光源信号以避免探测器饱和，限制了进一步发展[15]。

微通道板是一种特殊的二维光学纤维器件，可探测紫外光、X射线、γ射线、电子、离子等多种信号[16]，工作原理与光电倍增管类似，也同样具备增益高、噪声低、时间分辨率高等优点，而且体积小、易生成大面阵、抗辐射能力强。

但是微通道板同样工作在高真空和高电压下，导致其结构复杂、成本高。

微通道板自身的响应速度很快，但工作时需要CCD器件成像，而CCD的读出速度对于单光子探测而言太慢。

基于这些特点，微通道板常用一般用在高能物理、天文观测和空间探测领域。

普通的CCD没有内部增益，但是一些经过特殊处理的CCD也可以用作单光子探测，如电子轰击CCD（EBCCD）、电子倍增CCD（EMCCD）和增强型CCD（ICCD）[17]。

EBCCD在其CCD背面较薄时拥有低噪声、高增益、高分辨率的特性，但是结构复杂、寿命有限、价格昂贵等缺点限制了其应用。

EMCCD的优点是高增益、高空间分辨率，但是响应时间太慢（毫秒级），且暗电流噪声不易抑制。

ICCD的时间分辨率高、信号放大能力强，但是空间分辨率和量子效率都不理想，而且价格昂贵[18]。

图1.2SPAD雪崩过程示意图

Fig.1.2DiagramofSPADavalanche．

单光子雪崩二极管（SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD）就是工作在特殊状态、可以进行单光子探测的雪崩光电二极管（AvalanchePhotoDiode，APD）。

给雪崩光电二极管加上一定的反向偏压，携带能量的光子射入P-N结，会把能量传递给共价键上的电子，使电子挣脱共价键形成电子-空穴对，也称为光生载流子。

若反向偏压足够大，耗尽层的光生载流子就能获得足够高的动能，在与晶格碰撞时就能够使共价键断裂产生电子-空穴对，该过程也称为碰撞电离。

新的载流子又会不断产生新的碰撞电离，形成连锁效应，造成载流子的雪崩倍增效应，得到一个非常大的脉冲电流，如图1.2所示[4]。

能够使SPAD发生这样雪崩效应的最低反向偏压称为雪崩击穿电压Vbreak，雪崩击穿电压由SPAD的材料和工艺决定，实际施加的反向偏压会适当大于雪崩击穿电压，在单光子探测将二者的差值称为过偏置电压，即Vex=Vbias-Vbreak，用来描述SPAD的电压偏置状况。

SPAD噪声低、结构紧凑、受磁场影响小、工作电压低，光子探测效率和时间分辨率都很高，是一种理想的单光子探测器件。

基于SPAD的单光子探测技术的重要应用之一是荧光寿命成像。

具有荧光性的物质可以吸收某种波长的光子，使得处于基态的电子从稳定的基态跃迁到激发态，并且很快退出激发回到基态，同时会发出比入射光的波长长的荧光。

在生物医学研究中，经常用荧光物质标记被测目标，通过研究所发出荧光的特性来分析目标的信息，这种方法广泛应用在血流量成像、神经活动、药物的传送和吸收。

在诸如共聚焦多通道显微镜技术能够对活体组织进行三维成像后，荧光物质也被用来标记蛋白质和DNA，进行免疫分析和基因排序[19]。

一般通过研究荧光激发和发射光谱、荧光强度、量子效率、荧光寿命等参数来研究荧光特性，进而分析被测目标的信息。

传统方法是通过薄膜滤波器和分色镜将激发光源和发射光（即荧光）隔离，用荧光显微法探测荧光的强度。

由于发射光峰值波长与激发光峰值波长的差值（即斯托克斯位移）很小，典型值为10~30nm，滤波极为复杂，而且样品的背景光和环境自发荧光也会干扰荧光强度的测量。

此外，荧光强度受光程长、荧光物质密度影响很大，随着时间增长还会衰减，不利于定量分析。

由于荧光强度的测量存在上述种种困难，目前已逐渐被荧光寿命成像（FLIM，Fluorescencelifetimeimagingmicroscopy）测试所代替。

荧光物质中的电子可以吸收光子跃迁至激发态，激发态的电子并不稳定，会很快退出激发恢复到基态，电子在激发态保持的平均时间就称为荧光寿命。

荧光寿命τ取决于荧光物质本身的结构、化学特性，并受被标记物体的物理化学环境（如离子浓度、PH值）影响，与荧光物质密度、入射光源强度、光漂白、外界杂质光等因素均无关系。

因此，可将荧光物质作为染料标记到被测目标，若能准确测量荧光寿命，就能获得被测目标的相关物理化学参数。

荧光寿命τ描述的是大量处于激发态电子的衰减特性，其定义是从激发光源射入荧光物质到激发态电子强度衰减为其峰值的1/e所用的时间，激发态电子的强度衰减特性曲线呈指数函数分布：

（1.1）

其中，I（t）表示荧光物质受到光源激发后t时刻激发态电子的强度，I（0）是初始时刻的激发态电子强度，也是其峰值强度。

在分布类型确定的的情况下，对光信号进行采样，就可拟合得到荧光强度随时间的变化曲线，再通过计算得到上述激发态电子的强度衰减特性曲线，提取出荧光寿命值τ。

荧光寿命典型值范围在100ps~10ns内，一般在强度衰减期内至少进行十次以上的采样才能获得较逼真的强度衰减特性曲线，也即采样周期要小于荧光寿命τ的十分之一。

常见的荧光寿命测量方法有：

时间相关光子计数法、门控法和相移法[20]。

其中使用最多的是时间相关单光子计数法（TCSPC，Timecorrelatedsinglephotoncounting）。

1.3国内外研究现状

单光子探测技术涉及到多个方面，如光信号处理、单光子探测器的选择和制备、电路设计、电学信号处理以及成像技术。

在军事领域，单光子探测技术发展应用得很快。

早在上个世纪末，美国雷神公司、波音公司、洛克希德·马丁等军工企业就开始研究基于单光子探测技术、适用于极微弱光条件下的激光雷达系统[21]；麻省理工学院林肯实验室在五角大楼支持下也致力于三维激光雷达系统的研究并将其应用于弹道防御系统，目前已进行了多次测试，拍摄结果表明研究的三维激光雷达系统能够很好地识别在伪装网、森林中隐藏的汽车、坦克等目标[22]。

英国Heriot-Watt大学设计了基于硅SPAD的三维激光成像系统，可在5m~330m距离范围内实现成像，在325m出成像的距离分辨率仅为20mm[23,24]。

韩国KAIST大学在2008年以来也致力于基于SPAD的三维成像系统研究，该系统可对130m距离的目标实现分辨率为1cm的清晰成像[25-27]。

国内也有科研人员研究基于单光子探测的激光雷达成像系统。

南京理工大学的司马博宇、陈钱等人研究的三维激光雷达成像系统可在毫米量级空间分辨率下对50m出的目标实现成像，并且进一步提出距离校正方法[28]。

北京航空航天大学的刘晓波、李丽提出了分析激光雷达探测性能的方法[21]。

安徽问天量子科技股份有限公司在量子保密通信领域处于先进水平，该公司与中国科学技术大学和中科院量子信息重点实验室合作研发出了WT-SPD系列红外单光子探测器，使用InGaAs/InP雪崩二极管作为光敏器件，采用窄门脉冲控制模式。

门脉冲宽度为1ns、2.5ns、5ns可选，死时间可调范围1~255us，探测效率为5%