【摘 要】
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硅光电倍增管(SiPM)因其高增益、极佳的时间分辨率、不受磁场干扰等优点正逐渐取代光电倍增管(PMT)作为正电子发射型计算机断层显像系统(PET)中探测420nm波长光子的光电探测器。本文旨在对SiPM的基本单元单光子雪崩二极管(SPAD)进行性能研究,并针对420nm波长的目标光子,设计一款具有高探测效率和快速时间响应的SPAD。首先,进行了SPAD的性能分析。根据SPAD探测光子的原理建立了探
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硅光电倍增管(SiPM)因其高增益、极佳的时间分辨率、不受磁场干扰等优点正逐渐取代光电倍增管(PMT)作为正电子发射型计算机断层显像系统(PET)中探测420nm波长光子的光电探测器。本文旨在对SiPM的基本单元单光子雪崩二极管(SPAD)进行性能研究,并针对420nm波长的目标光子,设计一款具有高探测效率和快速时间响应的SPAD。首先,进行了SPAD的性能分析。根据SPAD探测光子的原理建立了探测效率的仿真模型。考虑到非平衡载流子热扩散过程具有随机性的特点,利用蒙特卡洛方法模拟了光生载流子在中性区中的二维扩散过程,进而推导出时间响应的二维仿真模型。分析了影响暗计数和后脉冲的因素以及抑制这两种噪声的方法。其次,设计了一款适用于探测420nm波长光子的新型SPAD。该SPAD采用了一种新的保护环制作方法,有效抑制边缘击穿的同时避免离子横向扩散损耗填充因子。利用本文提出的性能仿真模型,对重要结构参数进行了的优化,最终确定p型中性区厚度为0.25μm、n阱浓度为8e16/cm~3,此时SPAD的探测效率与时间响应性能分别为:2.5V过偏压下的探测效率为50.41%;99.9%的雪崩信号发生在距光子入射后的971ps内。最后,制定了SPAD的加工工艺流程。同时,利用Silvaco仿真软件进行了SPAD的工艺仿真与器件仿真,以分析性能仿真模型计算结果与实际情况可能存在的偏差。分析结果表明,由于p型中性区微弱电场的存在,实际器件的探测效率与时间响应性能将优于模型计算结果。
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