新型单光子雪崩二极管的TCAD模拟研究

"这篇研究论文详细探讨了一种新颖的单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）的设计，该设计利用了P+-SEN结和低浓度的N型掺杂圆形虚拟保护环。" 在本文中，作者们提出了一种新的SPAD器件，其特征在于拥有一个P+-SEN结，并且SE（肖特基-发射极-掺杂层）层含有高浓度的N型掺杂。这种设计导致SPAD的击穿电压降低，约为14.26伏，这使得设备能在较低电压下工作，提高了能效。此外，设计中的低浓度N型掺杂有助于防止过早的雪崩效应，从而提高器件的稳定性。 一个关键创新点是采用了一个高效的、狭窄（约2微米）的圆形虚拟保护环。这个保护环能承受更高的电场，有效地防止边缘击穿，这是SPAD器件中常见的问题。同时，由于其小尺寸，它对填充因子的增加影响较小，这意味着器件的光收集效率几乎不受影响，保持了高性能。 为了验证这种新型SPAD设计的特性和性能，研究人员进行了Silvaco TCAD（Technology Computer-Aided Design）仿真。Silvaco TCAD是一个广泛使用的工具，用于模拟半导体器件的行为，包括电荷输运、热效应和光学特性等。通过这些仿真，作者们能够分析和预测SPAD在实际操作条件下的表现，从而优化设计并解决潜在问题。 关键词：单光子雪崩二极管（SPAD），保护环，Silvaco TCAD 1. 引言 单光子雪崩二极管作为一种重要的光电探测器，广泛应用于量子光学、成像、光通信等领域。其独特的能力在于能检测到单个光子，使得在低光照条件下和高速光信号处理中有卓越的表现。然而，传统SPAD的设计往往面临边缘击穿、高击穿电压和低填充因子等问题。本研究提出的新型SPAD设计旨在解决这些问题，提高器件的性能和可靠性。 通过这项工作，作者们展示了如何通过创新的结构设计和TCAD仿真技术来优化SPAD的性能。这种优化设计不仅有望提升SPAD的光子检测效率，还能降低功耗，从而在未来的量子计算、量子通信和深空探测等应用中发挥重要作用。