第六届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申请书

1、第六届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称单光子雪崩光电二极管建模项目类别创新训练项目v创业训练项目口项目级别省部级v校级口项目主持人郭继鹏学生所在学院材料与光电物理学院专业班级12级微电子三班联系电导老师杨红姣金湘亮填表e1期2013 年 3 月 15 h湘潭大学教务处制填写说明一、申报书要按要求逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表 达明确严谨。空缺项要填“无二二、创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成 创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果 （学术）交流等工作。创业训练项目是本科生团队，在导师指导下，团队中每

2、个学生在项 目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展 可行性研究、模拟企业运行、参加企业实践、撰写创业报告等工作。三、格式要求：表格中的字体用小四号仿宋体，1.5倍行距；需 签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用a4纸双面打印， 于左侧装订成册。四、申报省部级项目如未获批立项，将参与校级项目的遴选。五、本页不装订。项目名称：单光子雪崩光电二极管建模学生姓名专业名称性别学号郭继鹏微电子学男2012700525阮云鹏微电子学男2012700527胡会微电子学女2012700503周欢微电子学女2012700504胡湘宜微电子学女2012700502指导教师杨红姣职称讲师

3、学科专业微电子学指导教师金湘亮职称教授学科专业微电子学学生曾经参与科研或创业的情况郭继鹏：大学物理和高数的基础不错，对物理实验有浓厚的兴趣，态度严谨。阮云鹏：对电脑方面的知识比较了解，对c语言方面的知识也掌握的较好，在校学 习pascal编程语言。胡会：英语成绩相当不错，对科研有浓厚的兴趣。周欢：对科学探索有兴趣，英语成绩优秀。胡湘宜：爱思考，对知识渴求，有丰富的想彖力。指导教师承担科研课题情况金湘亮教授，工学博士，博士生导师，是湘潭大学微电子与固体电子学方向学术带 头人，教育部“新世纪优秀人才支持计划”获得者，美国电气及电子工程师学会ieee 会员，国际光学工程学会spie高级会员，中国屯子

4、学会高级会员，中国光学学会高级会 员；主要从事面向生物医疗及环境芯片实验室、微机械系统及信号处理电路、高性能cmos 图像传感器关键技术研究、新型低电压混合信号集成电路设计与系统研究、3d光探测器 的新理论新结构新器件的研究、太阳能电池等研究；2002年11月至12刀在日木筑波大 学进行合作访问研究，2009年在加拿大西安大略大学从事研究科学家(research scientist)职位，主要从事生物医学、生物信息学、生物分析检测及系统实现等方面的 研究，2010年组建湘潭人学微光电与系统集成实验室和湘潭人学紹光集成电路实验室， 成功开发湘潭大学第一块集成电路芯丿h主持国家“十二五”重大专项、

5、国家“863”、 国家自然科学基金(含面上和重点)、教育部重点、湖南省自然科学基金重点、湖南省教育厅重点等国家、省部级重点科研任务和企业委托开发的项目共计二i余项；成功开发 传感器信号处理soc系列芯片、cmos图像传感器系列芯片、电源管理芯片、带tvs rs485 总线、高性能esd器件、soc传感器（uv、3d、iiall等）等芯片，产生了重大经济效益。 他将在整个项口过程屮提供理论知识和技术上的指导，并对实验方法和项目程序进行引 导。目前，金老师带领的课题纽止在承担硅基单光子雪崩光电二极管与光学传感器阵列 芯片设计项冃。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题一、项目研究的背景1、单

6、光子探测技术单光子探测是一种重要的技术，被广泛应用在犬文学、生物化学和医学诊断等领域 屮。在天文学屮，单光子探测技术可以用來探测微弱光辐射；在生物化学屮，可以利用 单光子探测器来研究微弱荧光现象、dna反应和单分子探测，在医学诊断中，可以用于 多聚酶链式反应和化学发光免疫诊断等技术中。单光子探测是一种极微弱光的探测方法。由于单个光子的能量极低，用通常的检测 方法很难直接把这种微弱的信号提取出来。要想观测到物质吸收单个光了后所引起的变 化，必须存在相关的放大机制。利用光屯效应原理，可以采用基于光屯倍增管（pmt） 和雪崩光电二极管的单光子探测器。2、单光子探测实现的方法（1）基于光电倍增管的方法

7、早期的单光了探测采用光电倍增管的方法。光电倍增管的商品化始于1960年，是利 用外光电效应制成的具有内增益的器件。光电倍增管的基木结构如图1所示，包括光电阴极、集电极、倍增极和阳极。图中 c是光电阴极，di、d2和d3是倍增极（或称为打拿极），a是阳极，u1至u4是极间 电压，一般为儿百伏。光照射在光电阴极上，光子在光电阴极被吸收，由光电效应转变 为光电了。从光电阴极激发出的光电了在电场u1的加速作用下，打在第一个倍增极d1 上，由于加速后，光电子能量很大，它打在倍增极上时会激发出数个二次光电子。在电 场u2的作用下，二次电子乂打在第二个倍增极d2±,引起一次二次电子发射。如此下 去

8、，电子流迅速倍增，最后被阳极a收集。典型的光电倍增管有812个倍增极，每极 之间的电压为200400v,电流增益可达1（）4io?。图1光电倍增管示意图pmt作为单光子探测器具有高增益、光敏血人和暗计数低的优点，但是它需要丄作 在高电压下（通常在800到1500v之间），且容易受到磁场的影响。h前，商品化的pmt 响应光谱范围覆盖了紫外到近红外区，但其红外响应受到材料的限制，灵敏度不高。（2）基于单光子雪崩二极管的方法雪崩光电二极管是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管t作 在反向偏压卜，反向偏压越高，耗尽层中的电场强度也就越人。当耗尽层中的屯场强度 达到一定的程度时（材料不同

9、，电场大小也不一样），耗尽层中的光生电子空穴对就会被 电场加速，而获得巨人的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电 子宇穴对，新生的电子空穴对乂会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞 又产生更多的光生电子空穴对，这一过程反复进行，就形成了所谓的雪崩倍增，使入射 光信号的输岀电流得到放大。在单光子探测屮，spad工作在盖革模式下，反向偏置电 圧人于其雪崩击穿电圧，因此它也被称为盖革模式雪崩光电二极管或者单光子雪崩二极 管（spad）ospad具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、对电离辐射和磁 场不敏感、工作电压低、暗电流低、体积小、功耗低、过剩噪声小、结

10、构紧凑、集成化 高等优点，在光场探测、光子学、激光测距等领域得到了广泛的应用和关注。特别是高 性能spad探测器阵列的研制以及在高能物理探测、医学成像、量子通信及具他弱光探 测领域的应用都是当今研究的热点。3、器件建模器件建模的h的是通过建立一种模型，来模拟某种新型的、功能还未设计出来的器 件，再将此模型用于电路设计中的仿真，以期达到一定的设计要求。器件模型的建立有以下两种形式：（1）器件物理模型：根据器件的几何图形、掺杂分布、载流子运输方程和材料特性 等预测器件的端特性和输运特性。这种模型通常需要二维或三维的数值计算，能揭示器 件的内在物理效应，一般只适应于器件物理研究和器件开发，部分t作区

11、能找到收敛的 解析模型，可应用于电路模拟器。（2）等效屯路模型：将器件等效成由一些基本单元组成的电路，器件特性由该等效 电路特性来描述，此方法的特点是可解析求解，但不能揭示器件的内在物理效应，适合 于电路模拟器。4、单光子雪崩光电二极管建模的冃的h前电路仿真软件小所使用的器件模型不包括单光子雪崩光电二极管模型,在电路 仿真过程屮，通常采用电阻和开关构成的屯路來模拟单光子雪崩光屯二极管。该模型具 有以下不足：（1）器件的特性与模型中选収的参数有关，进行仿真时，要根据已知的器件参数选 取模型参数，不同的器件选取的参数会不同，所以该模型不具有通用性；（2）只能观察到器件的iv特性，无法观察到器件的暗

12、计数、后脉冲等现象，也不 能体现器件的温度特性等；（3）是基于已知器件的模型，无法观察器件内部的现象，无法知道器件的参数对器 件的性能有什么样的影响，对器件的结构设计没有指导作用；该项冃的t作就是在现有模型基础上，对单光子雪崩光电二极管器件进行数值建模, 以期解决现有模型存在的问题，给器件的结构设计提供依据。二、项口和实验研究的内容及要解决的问题1、项h和实验内容1）选择合适的器件结构以及器件建模方法；2）通过基本的数学物理公式推理，建立初步模型；3）衡量各项指标（电容，iv特性曲线等）对模型的影响；4）通过和实际的指标比较、修正，进一步完善模型。2、要解决的问题1）获得与实际单光子雪崩光电二

13、极管相符合的特性曲线；2）考虑暗计数、后脉冲现彖、噪芦等进行建模；3）通过器件仿真，从器件结构上考虑减小喑计数和后脉冲。3、使用的手段和方法：（1）第一步：首先大量杏找相关的文献资料，从中寻找有用的论文和书籍并从中提 炼出我们所需要的模型，进行前期调研工作，特别是完成对模型参数的调研。（2）第二步：对单光子雪崩光电二级管进行理论建模。器件建模的主要方法有两种, 即器件物理模型和等效电路模型，本项冃的研究，我们主要采取器件物理模型法。运用 已积累的理论知识，从基本公式泊松方程、电流连续性方程等岀发，对整个模型进行数 学分析，进而得到能够满足要求的数学表达式，并使用matlab得到与测量值较为吻合

14、的特性曲线；（3）第三步：分析参数对单光子雪崩光电二极管模型的影响。首先在低电压情形下 器件的工作情况，分析此时在数学和物理上得到的数据是否相符合。其次，在反偏髙电 压时，器件参数是如何变化的，对器件性能有什么样的影响；（4）第四步：使用tcad软件进行仿真。使用silvaco atlas或者是synopsys sentaurus软件进行器件仿真，观察器件内部电势、电场、载流子等的分布情况及其对器 件的特性、暗计数等参数的彩响，模拟出工艺条件、器件结构的变化对器件性能的 影响；另外，通过利用其数学和物理模型如：光产生、复合、碰撞电离、迁移率、载流 子寿命等来模拟单光子雪崩光电二极管的瞬态特性。

15、4、可行性分析（1）理论可行性。本项目研究单光子雪丿册光电二极管理论建模和tcad仿真，采 用semiconductor devices physic and technology作为理论指导，通过查阅大量文献资料进 行调研，根据器件建模的主要方法，利用基本的公式列出方程，计算出相关参数，建立 单光子雪崩光电二极管的理论模型并使用matlab等计算机软件对其特性进行仿真，最后 得出理论上的i-v特性曲线并与实际曲线进行分析对比。（2）队员兴趣浓厚，各有优势，目标明确，这个研究过程中，指导老师的工作经验 丰富，在各方面可以给我们很好的指导。首先，项1=1纽成员查阅了大量有关的国内外文 献，充分了

16、解国内外研究动态；其次，项冃主耍是运用数学和物理方法进行建模研究， 项目组成员的数学和物理功底不错，能够进行理论上的分析与计算；再次，项目组成员 的英语水平都还不错，能够较好的进行英语文献的阅读和研究；最后，项冃的研究fi标 非常明确，项忖组成员之间能够进行优势互补，可以增加研究的成功几率。（3）实验条件完善。湘潭大学材料与光电物理学院拥有专门集成电路设计实验室， 配备多种大型集成电路设计软件，并设有器件测试实验室，传感器实验室，电丁电子实 验中心等。因此，我们项冃的研究可以有学校的实验条件作支撑，且项目研究的每个部 分，学校都有从事此方面相关研究的老师做理论指导。所以，无论在便件还是在软件方

17、 面都为我们的项目顺利开展提供保障。国内外研究现状和发展动态通过文献查找可以发现，fi前在单光了雪崩光电二极管的理论建模这个方面的研究 比较少，人部分模型都是基于己知器件的iv特性的电路模型。但是，早期对光电二极 管、雪崩光电二极管等器件的理论建模给我们提供了很好的理论依据，同时通过学习单 光子雪崩光电二极管的结构及其应用的文献，可以得到许多有用的信息。早期研究人员在器件建模及碰撞电离理论方面的研究给我们提供了理论依据，如文 献1建立了光电二极管的电路模型，通过利用连续性方程计算p区、n区非平衡载流了 的浓度及耗尽区载流子的浓度，进而计算得到光生电流，将光电二极管用普通二极管与 光生电流源来进

18、行模拟文献2在上述模型的基础上，同时考虑了 sio2层中的陷阱电荷 感应的空间电荷区对器件光生电流的影响；文献3则根据非平衡载流子的速率方程，并 引入归一化常数cno,计算二极管的端电流，同时考虑寄生串联电阻，得到光电二极管的 电路模型；文献4-6则利用非平衡载流子的速率方程，引入归一化常数cno,得到稳态 电流，从而提hl pin雪崩光电二极管的电路模型；文献7利用matlab软件对apd器件 iv特性及频率响应特性进行了仿真分析；文献8提出了局域碰撞电离模型，认为电子 和空穴的碰撞电离率（1、卩只与场强e有关，而与载流子的经历无关，并利用该模型对 器件的噪声谱密度函数进行了计算，分析了器件

19、的噪声特性；文献9对局域碰撞电离模 型进行了修正，提出了历史相关的碰撞电离模型，它指出，x处电了或空穴的碰撞电离 系数不仅依赖于电场玖x）,而且依赖于载流子产生位置x，以及x和x，之间的电场分布。随着spad器件在各个领域的广泛应用，spad结构、模型及应用方面的研究成为 人家广泛关注的研究重点，一些新的研究成果不断出现。如文献10提出了用电压控制 的模拟开关和verilog-a描述语言来构建spad的模型；文献11-12提出了基于 verilog-a描述语言的行为模型的构建方法；文献13利用电压控制的模拟开关和电压源 产生电路构建了 spad的分段线性电路模型；但是上述这些模型的建立都是在测

20、试得到 的iv曲线的基础上构建的模型，它们只关心器件的外特性，无法观察得到器件的内部 结构及参数对器件的影响。文献14提出一种新的器件结构，利用n阱的横向扩散在结 的边缘形成低掺杂的n区作为guard ring,同寸在n阱之间的有源区上方引岀电极作为栅 极，通过在栅极加一个相对阴极为反和偏置的电压，可以进一步减小边缘电场，防止边 缘击穿；文献15指出nwell z间的gap可以作为guard ring防止边缘击穿，gap的宽度 可以控制pn结击穿的位置。根据上述文献提供的信息，我们可以通过对spad器件进行理论建模，并使用tcad 软件进行仿真验证，对spad的设计将具有指导作用。参考文献1

21、晋文亮，牛文成.与cmos兼容的光电二极管模型及其spice模拟分析j.南开人学 学报(自然科学版),2006,4(2).2 李守智，田敬民，苏琦.通用光电二极管spice模型与特性分析j.固体电了学研究 与进展,2003,11(4), 480-483. 陈维友，刘宝林,刘式墉pin光电二极管电路模型的研究j电子学报,1994.11(11), 95-97.4 范辉，陆雨出.pin雪崩光电二极管建模及其特性的研究j.电子器件，2007,4(2), 391-394.51陈维友，刘式墉.用于电路模拟的pin雪崩光电二极管模型j.固体屯子学研究与进 展，1997,8(3), 242-250.陈维友.光

22、电子器件模型与oeic模拟m7 程涛，周金运，李文静.基于matlab的apd器件模拟j.电子技术,2006(13), 146-148.8 r. j. mcintyre, "multiplication noise in uniform avalanche diodes j ieee trans. electron devices, vol. ed-13, jan. 1966.9 r. j. mcintyre, "a new look at impact ionization一part i: a theory of gain, noise, breakdown probab

23、ility, and frequency response j ieee transactions on electron devices, 1999,1623-1631.10 r. mila , a. oliveri, g. palumbo, p. g. fallica, a novel model for single photon detect ors j.11 r. mita, g. palumbo, and p. g. fallica, "accurate model for single-photon avalanche diodes j,“ iet circuits d

24、evices syst., 2008, 2(2). 207-21212 g. giustolisi, r. mita and g. palumbo, t4verilog-a modeling of spad statistical phenomena j," ieee, 2011, 773-776.13 alberto dalia mora, alberto tosi, simone tisa, and franco zappa, "single-photon avalanche diode model for circuit simulations jj ieee pho

25、tonics technology letters, 2007, 19(23), 1922-1924.14 babak nouri, marc dandin, pamela abshire, "characterization of single-photon avalanche diodes in standard cmos ieee sensors 2009 conference, 1889-1892.15 bowei zhang, zhenyu li, mona e. zaghloul, "a single-photon avalanche diode in cmos

26、 0.5pm n-well process j," ieee, 2012.本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩己经阅读大量文献及相关书籍，对项目进行了较为详尽的前期调研工作，并有一定 的初步知识积累。冃前，本团队已经对硅集成单光子雪崩光电二极管的tcad器件建模做 好了充分的准备，调研工作已经取得一定进展。项目的创新点和特色1、基于物理理论对spad器件建模，并用matlab进行数值仿真，通过tcad器件仿真 对器件模型进行优化，得到的模型具有较好的通用性，对器件设计具有指导作用。2、spad器件模型的建立，将会给单光子雪崩光电二极管的设计带来极大的便利。这不 仅可以缩短科研周期，还能节约科研成本，并能更好的预见新产品的性能。项目的技术路线、进度安排及预期成果一、技术路线1、学习半导体物理等相关的基础知识。2、查阅大量的国内外文献，从基本的方程出发建立单光子雪崩光电二极管模型，在 matlab下进行数据拟合，修正模型参数并得出其特性，例如：iv特性曲线，电 容等。3、验证试验结果，把理论值与实际测量所得的曲线进行对比并再次进行调整和修 正，获得较为准确的模型参数。4、考虑实际影响因素，分析所得的结果是否达到考虑的效果，并再次优化模型参数。5、得出单光子雪崩光电二极管模型及参数。二、进度安排1、导师定期指导，主持召开每周一次的例行会议，深