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Field Polysilicon Gate-Optimized NIR-Enhanced SPAD With 11.92% PDP at 905 nm and 47.6% Fill Factor

光电子学 材料科学 二极管 雪崩二极管 领域(数学) 雪崩光电二极管 击穿电压 Guard(计算机科学) 测距 电压 单光子雪崩二极管 CMOS芯片 发光二极管 雪崩击穿 电气工程 探测器 图层(电子) 高压 炸薯条 电子工程 耗尽区 辐射硬化 静电放电 逻辑门 显微镜 暗电流 多晶硅耗尽效应 集成电路 小尺寸 泄漏(经济) 计算机科学 电场 光子 GSM演进的增强数据速率
作者
Dajing Bian,Yue Xu,Yuanhao Bi,Baoyu Ni,Zheng Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73 (3): 1434-1441
标识
DOI:10.1109/ted.2025.3650562
摘要

This article presents a near-infrared (NIR)-enhanced silicon single-photon avalanche diode (SPAD) fabricated in standard 180-nm bipolar-CMOS-DMOS (BCD) technology. The key innovation is a deep p-type implant (DPI)/N $^{-}$ buried layer (NBL) depletion structure, which is strategically engineered to significantly boost the photon detection probability (PDP) in the NIR spectrum. To address the inherent challenge of dark noise, we introduce and validate a field-optimized guard ring (GR) technique employing a polysilicon gate connected to the anode, which effectively suppresses the electric field in the GR region and mitigates premature edge breakdown (PEB). The efficacy of this design is rigorously demonstrated through a comprehensive study across multiple devices, combining technology computer-aided design (TCAD) simulations with experimental measurements. After thorough optimization, the fabricated SPAD with a 20- $\boldsymbol {\mu }$ m active diameter (AD) achieves a peak PDP of 61.98% at 555 nm, a notably high NIR PDP of 11.92% at 905 nm, and a low dark count rate (DCR) of 2.2 cps/ $\boldsymbol {\mu }$ m2 at 5-V excess bias, while maintaining a 42.5-V breakdown voltage and a 47.6% fill factor (FF). This work provides a validated and cost-effective solution for high-performance SPADs, making it ideally suited for 3-D sensing for consumer electronics, short-range fill-in light detection and ranging (LiDAR), and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM).
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