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单光子雪崩二极管及其应用研究

单光子雪崩二极管及其应用研究

单光子雪崩二极管(SPAD)是指工作在盖格模式下的雪崩二极管,它能够对单个光子进行探测,实现单光子计数或成像。在天文观测、高超音速飞行器探测预警、量子通信、3D成像、粒子物理以及医疗成像等领域广泛应用。

相比于III-V族工艺和特殊的硅工艺制备的SPAD器件,采用CMOS兼容的工艺开发SPAD器件,可以将SPAD器件与信号处理电容集成在同一芯片之上,其优势在于系统集成度高,体积减小,成本大幅度降低。其缺点则受限于材料和CMOS兼容的要求,SPAD器件性能上有所差距,主要体现在缺陷引起的暗计数较高,而且硅材料限制了其波长应用在近红外(一般波长<950nm)。


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SPAD基本工作原理以及CMOS兼容的SPAD基本结构示意

 

我们重点研究CMOS工艺兼容的SPAD器件,并探索其在高速极弱光成像、3D成像,医疗检测及成像等方面的应用。CMOS工艺兼容的SPAD成像技术可以发挥CMOS高集成和低成本优势。二维暗场成像充分发挥SPAD的高灵敏度特点。将SPAD单光子响应转换为模拟信号输出或者数位平面输出。其光相应灵敏度可以高达十几mV~几百mV/光子,帧率可以达到100K/秒以上,适合高速极暗场成像。

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       高速低光照情况下的单光子成像


3D成像。对入射光子进行时间相关性计数,从而获得成像物体的反射光到到SPAD像素单元的举例,形成三维图像。目前基于单光子的3D成像技术,其分辨精度可以达到毫米量极。  

由于单光子成像单元面积通常很大,成像分辨率不是太高。我们将通过优化器件和单元电路结构,提高填充率,通过3D封装技术进一步提高单元阵列的面积,来提高成像分辨率。