專利名稱：蓋革模式apd被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計技術(shù)，具體指一種"蓋革"模式雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode-APD)被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計方法，它用作對"蓋革"模式APD器件集成電路級被動淬火與恢復(fù)電路的設(shè)計。
背景技術(shù)：
雪崩光電二極管(APD)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)極微弱光探測的主要探測器。在"蓋革"工作模式下，由于器件的雪崩增益很高，單個光子入射即可能引起雪崩脈沖輸出，因而"蓋革"模式工作的雪崩光電二極管可以實現(xiàn)單光子探測。所謂"蓋革"模式，即APD被偏置在高于其雪崩電壓的工作點，一旦有光子或熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子到達(dá)觸發(fā)雪崩，就在電路中產(chǎn)生電流。電流脈沖的上升沿標(biāo)志著光子的到達(dá)時間。 單元"蓋革"模式APD探測器通常采用外圍淬滅電路實現(xiàn)器件"盲時"和"恢復(fù)時間"的控制。與單元器件不同的，多元列陣探測器則需要用集成式淬滅電路進(jìn)行控制，從而使探測器能夠?qū)崿F(xiàn)更大的規(guī)模和更高的集成度，因此，高性能的淬滅與恢復(fù)集成電路成為APD列陣探測器研制的重要組成部分。然而，"蓋革"模式APD探測器的工作方式與普通光電二極管有很大不同，對其外圍淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計需要采用新的方法。"蓋革"模式APD探測器的工作機(jī)理是，探測器p-n結(jié)兩端施加高于其雪崩電壓Vbreak的偏壓，在該偏壓下，單個電荷載體注入耗盡層即可引發(fā)一個自持的雪崩，電流迅速上升到毫安量級的穩(wěn)定值。如果最初的電荷載體是光產(chǎn)生的，那么雪崩電流的上升沿表示探測到的光信號的到達(dá)時間，精確度可達(dá)到皮秒量級。當(dāng)探測器兩瑞偏壓降低到低于Vb，k時或雪崩電流降低到足夠小(通常為lOOuA)時，通過雪崩區(qū)域的載流子非常少，由于電流是隨時間變化的不均勻分布，總會有某一時刻發(fā)生沒有載流子通過強(qiáng)電場區(qū)碰撞電離的情況，此時雪崩淬滅。雪崩淬滅后為了探測下一個入射光子，探測器偏壓必須恢復(fù)到高于Vbreak的狀態(tài)。因此，對"蓋革"模式APD外圍淬火與快速恢復(fù)集成電路精確的設(shè)計需要合適的設(shè)計方法。
文獻(xiàn)中已報道的"蓋革"模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路設(shè)計方法較為粗略、并不完善，其設(shè)計過程如下 首先在EDA (Electronic Design Automation電子設(shè)計自動化)設(shè)計平臺中利用一個簡單的電路模擬工作在"蓋革"模式的APD器件(如圖1所示其中直流電壓源Vtoeak表示APD器件的雪崩電壓，電阻Rd表示APD器件的導(dǎo)通電阻，電壓控制開關(guān)T模擬光子探測及雪崩淬滅過程，電容Cp、Cd表示電路的分布電容和APD的結(jié)電容)；其次，在以上電路外圍搭建被動淬火與恢復(fù)集成電路(如圖2所示，其中P。為PM0S管，做大電阻使用，原理與圖3相同)，與第一步中的電路模型相連，關(guān)閉開關(guān)T再迅速打開以模擬光子入射激發(fā)雪崩和雪崩淬滅，根據(jù)仿真波形調(diào)整電路中各個M0S管參數(shù)；最終利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計版圖并在半導(dǎo)體代工廠流片制作。
以上設(shè)計方法有以下不足 1)未考慮"蓋革"工作模式APD器件的非線性區(qū)域I-V特性，這將會使電路中APD
3偏壓高于飽和電壓時仿真電流大于實際電流，對M0S管的設(shè)計參數(shù)造成影響，最終使流片制造出的電路功能不佳，甚至無法使用。如圖4(a)為該設(shè)計方法下電路的I-V特性曲線，對比圖4(b)中實測"蓋革"模式APD器件的I-V特性，發(fā)現(xiàn)實測"蓋革"模式APD器件是有飽和電流和飽和電壓的，當(dāng)器件兩端電壓達(dá)到飽和電壓后，電壓繼續(xù)增加雪崩電流值不再增大，顯然這種設(shè)計方法忽略了這點。 2)不同于實際APD器件導(dǎo)通電阻是隨器件兩端電壓變化的動態(tài)值，該設(shè)計方法設(shè)置APD導(dǎo)通電阻為一固定值(圖1中Rd)造成在投片生產(chǎn)之前無法準(zhǔn)確調(diào)整集成電路中各參數(shù)使電路性能達(dá)到最優(yōu)化。 3)未進(jìn)行雪崩淬滅條件判斷，即打開開關(guān)T完成雪崩的淬滅，這將使電路設(shè)計中需要被精確調(diào)整的M0S管參數(shù)失去微調(diào)的意義。如前所述，"蓋革"模式APD器件雪崩淬火的條件是APD器件兩端電壓低于其雪崩電壓或雪崩電流降到足夠小(約lOOuA)使某一時刻APD器件中高電場區(qū)域內(nèi)沒有載流子通過，才能發(fā)生雪崩淬滅。如圖l所示，該設(shè)計方法中沒有反饋回路控制電壓控制開關(guān)，開關(guān)T的關(guān)閉時間表示"光子入射"時間，T的打開時間表示雪崩電流的淬滅時間，但T的打開為人為設(shè)置，并不能準(zhǔn)確反映雪崩的淬滅時間，因此無法根據(jù)其仿真結(jié)果對集成電路中各個MOS管參數(shù)做精確調(diào)整，這將很可能導(dǎo)致最終生產(chǎn)的電路沒有功能，且必將導(dǎo)致電路性能達(dá)不到最優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種"蓋革"模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計方法，
解決現(xiàn)有設(shè)計方法中存在的技術(shù)不足。
本發(fā)明的設(shè)計方法步驟如下 1)針對某具體型號"蓋革"工作模式APD器件，在實驗室搭建最基本的大電阻被動淬火電路，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。測試該器件的雪崩電壓、飽和電壓、雪崩飽和電流、電壓恢復(fù)時間4項基本參數(shù)。 2)根據(jù)測試結(jié)果畫出該器件的I-V特性圖，根據(jù)圖形抽象出電壓電流關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。 3)根據(jù)第2步中提煉出的數(shù)學(xué)表達(dá)式在EDA設(shè)計平臺中建立表征器件I_V特性的
非線性模塊，這就避免了現(xiàn)有設(shè)計方法不能全面考慮器件整體的非線性i-v特性的缺點。同時，非線性的i-v特性又正確反映了器件的動態(tài)導(dǎo)通電阻，克服了現(xiàn)有設(shè)計方法中導(dǎo)通
電阻是固定值的缺點。在此基礎(chǔ)上添加器件的結(jié)電容、電路分布電容、壓控開關(guān)。 4)建立一個電流控制開關(guān)，監(jiān)測電路中的電流，當(dāng)電流足夠小(達(dá)到淬滅條件)
時，斷開電路完成淬火，這就避免了現(xiàn)有設(shè)計方法無法準(zhǔn)確判斷雪崩淬滅時間并及時斷開
電路的缺點。 5)在以上4步建立好的模擬APD器件特性的電路外圍搭建第1步中用到的測試電路，關(guān)閉壓控開關(guān)，得到電路電流-電壓特性以及電路中電流淬火和電壓恢復(fù)的波形，對比第1步測試結(jié)果中的淬火時間和恢復(fù)時間調(diào)整第3步中建立的結(jié)電容和分布電容的值。最終使第5步中得到的電流淬火時間、APD兩端電壓恢復(fù)時間與第1步中的測試結(jié)果吻合。
6)用"蓋革"工作模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路取代第5步建立的外圍測試電路。如圖2，其中PM0S管P。做大電阻使用，它的電阻必須足夠大才能淬滅雪崩電流。因PM0S在閾值電壓附近的導(dǎo)通電阻和寬長比成反比，設(shè)置做大電阻使用的PMOS管P。的寬長 比為工藝允許的最小寬長比，使P?？蛇_(dá)到最大導(dǎo)通電阻，保證其足夠淬滅雪崩電流。但P。 導(dǎo)通電阻越大，APD器件淬火后兩端電壓恢復(fù)時間越長(即器件"盲時"越長)，器件同一時 間內(nèi)可探測光子數(shù)目越少。需要在第7步調(diào)節(jié)P。管的寬長比，使電路在能達(dá)到淬火功能的 情況下APD兩端電壓恢復(fù)時間盡可能的短。其它MOS管做開關(guān)管使用，只需設(shè)置最小寬長 比使其開關(guān)速度最快即可。 7)利用脈沖電壓源輸出窄脈沖電壓，關(guān)閉電壓控制開關(guān)T，以控制雪崩發(fā)生時間。 控制P。的柵極電壓在閾值電壓附近，觀察電路中的電流值變化，雪崩觸發(fā)后電路中的電流 值會在幾個皮秒之內(nèi)從O上升到lOmA，并開始指數(shù)降低，當(dāng)電流指數(shù)降低到100uA時，第4 步中建立的電流控制開關(guān)會自動打開，電流淬滅，表明電路功能正常；逐漸增加P。管的寬 度，繼續(xù)觀察電流變化，如電流最終可以淬滅(即電路關(guān)斷，雪崩淬滅)則繼續(xù)增大P。管 的寬度，直到P。管的寬度達(dá)到某一值時，電流指數(shù)降低到110uA并維持不變(因只有降到 lOOuA以下才能淬滅雪崩)，表明此時電路已不能對本APD器件淬火。設(shè)置P。管的寬度為 倒數(shù)第2次嘗試的值。此時的P。管既能淬滅該APD器件的雪崩電流，又能使該APD器件兩 端電壓雪崩后恢復(fù)時間最短。 8)取第7步中得到的最優(yōu)化電路，采用標(biāo)準(zhǔn)CM0S工藝?yán)L制版圖并送代工廠流片制
作。即得到該型號"蓋革"工作模式APD器件在所用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下性能最優(yōu)化的被動淬
火與恢復(fù)集成電路。 本發(fā)明的優(yōu)點在于 1.本設(shè)計方法能夠精確考慮實際工作在"蓋革"模式下的APD器件的非線性I-V 特性，避免了現(xiàn)有設(shè)計方法中電路內(nèi)APD偏壓高于飽和電壓時仿真電流大于實際電流，對 MOS管的設(shè)計參數(shù)調(diào)整造成影響，最終導(dǎo)致生產(chǎn)出的被動淬火與恢復(fù)集成電路性能不佳，甚 至無法使用。大大提高了設(shè)計的成功概率。 2.本設(shè)計方法能夠完全表征"蓋革"模式APD器件在導(dǎo)通情況下的動態(tài)電阻，使設(shè) 計過程更精確，最終使被動淬火與恢復(fù)集成電路的性能得到提高。 3.本設(shè)計方法能夠精確判斷集成電路達(dá)到淬火條件的時間，并關(guān)斷電路，避免了 現(xiàn)有設(shè)計方法不能精確判斷電路淬火時間的缺點，從而大大提高了"蓋革"模式APD被動淬 火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計精度。


圖1為現(xiàn)有設(shè)計方法中用于表征"蓋革"工作模式APD器件特性的電路原理圖，其 中直流電壓源Vbreak表示APD器件的雪崩電壓，電阻Rd表示APD器件的導(dǎo)通電阻，電壓控制 開關(guān)T模擬光子探測及雪崩淬滅過程，電容Cp、 Cd表示電路的寄生電容和APD的結(jié)電容。
圖2為"蓋革"模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路原理圖，其中PMOS管P。做大電 阻，其柵壓V1可調(diào)(調(diào)節(jié)柵壓可調(diào)節(jié)其導(dǎo)通電阻)，VSS為負(fù)電壓，VDD為5V偏壓，等待狀 態(tài)下APD兩端總偏壓為VDD-VSS，最終輸出信號在沒有雪崩發(fā)生時維持5V高電平；發(fā)生雪 崩后輸出信號迅速降低到OV低電平；雪崩淬滅APD器件兩端電壓恢復(fù)工作電壓后輸出信號 恢復(fù)5V高電平。 圖3為蓋革模式APD被動淬火工作原理圖，其中VA為電路總電壓，其值大于APD器件雪崩電壓Vbreak 是用于淬火的大電阻，其值為220K歐，Rs為讀出信號小電阻，為50歐； h為小電阻RS上電壓恢復(fù)時間，也即為APD淬火后的兩端電壓再恢復(fù)到工作電壓的時間。
圖4(a)為現(xiàn)有設(shè)計模式下等效電路所反應(yīng)的APD的I_V特性曲線(b)為實測工 作在"蓋革"模式下APD的I-V特性曲線。 圖5為本設(shè)計方法中表征"蓋革"模式APD特性的電路結(jié)構(gòu)圖。 圖6為本例中"蓋革"模式APD器件雪崩后兩端電壓變化曲線，從曲線圖中可看出
lus時器件發(fā)生雪崩，3us時APD兩端電壓完全恢復(fù)，即電壓恢復(fù)時間為2us。
具體實施例方式
以采用0. 5um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，為一個雪崩電壓為20V，飽和電壓為24. 5V，飽和雪 崩電流為10mA、結(jié)電容為lpf的"蓋革"模式APD器件設(shè)計被動淬火與恢復(fù)集成電路為例， 具體設(shè)計方案如下 1)首先在實驗室中搭建如圖3所示的大電阻被動淬火電路(其中VA為電路總電 壓，其值大于APD器件雪崩電壓Vb，k ;I^是用于淬火的大電阻，其值為220K歐，Rs為讀出信 號小電阻，為50歐)，逐漸調(diào)高電源VA的值，觀察采集Rs上電壓變化的示波器的輸出，當(dāng)示 波器的輸出從無到有時刻的VA值即為APD器件的雪崩電壓值(這時為20V)，繼續(xù)升高VA，記 錄不同的VA時對應(yīng)的電路中的雪崩電流值。當(dāng)VA由20V開始繼續(xù)升高時，雪崩電流持續(xù)增 大，直到當(dāng)VA達(dá)到24. 5V時雪崩電流達(dá)到10mA，繼續(xù)增大VA，雪崩電流最大值保持10mA。觀 察示波器中APD兩端電壓變化曲線(如圖6)可以看出器件雪崩后電壓的恢復(fù)時間為2us。 最終測得該型號APD的雪崩電壓為20V，飽和電壓為24. 5V，飽和雪崩電流為10mA，使用該淬 火電路電壓恢復(fù)時間為2us。 2)跟據(jù)測試結(jié)果畫出該器件的I-V特性圖(如圖5)，根據(jù)圖形抽象出電壓電流關(guān)
系數(shù)學(xué)表達(dá)式。
min[Fl(Vd)， Isat]
(Vspad>Vbreak)
Ispad (Vd )=






射 Fl (Vd)
0
(Vspad<=Vbreak)
Isat承(Vspad-Vbreak)/(Vsat-Vbreak)
(2)
Ispad為任意時刻APD雪崩電》
,右
Vspad為任意時刻APD兩端電壓； Isat為APD飽和雪崩電流(針對本例器件為10mA); Vsat為APD飽和電壓(針對本例器件為24. 5V); Vbreak為APD雪崩電壓(針對本例器件為20V)。
3)用Verilog-A語言描述(1)、 (2)兩式，建立起表征器件I_V特性的非線性模 ±央，在此基礎(chǔ)上添加器件的結(jié)電容、電路分布電容、壓控開關(guān)(如圖5所示)。設(shè)置結(jié)電容為 lpf，分布電容為2pf。
4)建立電流控制開關(guān)，控制電路中的電流，當(dāng)電流足夠小(達(dá)到淬滅條件)時，斷 開電路完成淬火。因為APD器件的雪崩電流為毫安量級，而通常達(dá)到淬滅條件的足夠小的 電流為100uA。所以這里設(shè)置開關(guān)導(dǎo)通閾值電流I。n = lmA，斷開閾值電流I。ff = 100uA。
5)在外圍搭建第l步中用到的測試電路(即圖3)，關(guān)閉壓控開關(guān)，得到電路電 流_電壓特性以及APD兩端電壓變化波形，與第1步測試結(jié)果中APD兩端電壓變化波形對 比，如果第5步中得到的電壓恢復(fù)時間大于第1步中測試結(jié)果的2us，則減小第3步中設(shè)定 的電路分布電容的值，反之則增大第3步中設(shè)定的電路分布電容的值，直到第5步中得到的 APD兩端電壓變化波形中的電壓恢復(fù)時間與第1步測試得到的結(jié)果相同，都為2us。最終調(diào) 整分布電容為lpf時，第5步和第1步得到的電壓恢復(fù)時間吻合。 6)用"蓋革"工作模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路取代第5步建立的外圍測試 電路，如圖2所示，其淬火原理與第1步中測試用被動淬火電路相同，圖2中PMOS管P。做 大電阻，其柵壓V1可調(diào)(調(diào)節(jié)柵壓可調(diào)節(jié)其導(dǎo)通電阻)，VSS為負(fù)電壓，VDD為5V偏壓，等 待狀態(tài)下APD兩端總偏壓為VDD-VSS，最終輸出信號在沒有雪崩發(fā)生時維持5V高電平；發(fā) 生雪崩后輸出信號迅速降低到OV低電平；雪崩淬滅APD器件兩端電壓恢復(fù)工作電壓后輸出 信號恢復(fù)5V高電平。設(shè)置P。及其它各MOS管的寬和長均為工藝允許的最小值，其中寬為 0. 5um長為0. 55um。 7)利用脈沖電壓源輸出窄脈沖(脈沖寬度10ns)電壓，關(guān)閉電壓控制開關(guān)10ns長 的時間，以模擬光子入射觸發(fā)雪崩?？刂芇。的柵極壓在閾值電壓附近(本例中為2. 5V)，觀 察電路中的電流值變化，雪崩觸發(fā)后電路中的電流值會在幾個皮秒之內(nèi)從0上升到10mA， 并開始指數(shù)降低，當(dāng)電流指數(shù)降低到100uA，第4步中建立的電流控制開關(guān)會自動打開，電 流淬滅，表明電路功能正常；逐漸增加P。管的寬度，繼續(xù)觀察電流變化，如電流最終可以淬 滅(即電路關(guān)斷，雪崩淬滅)則繼續(xù)增大P。管的寬度，直到P。管的寬度達(dá)到1.2um時，電流 指數(shù)降低到110uA并維持不變(因只有降到100uA以下才能淬滅雪崩)，表明此時電路已不 能對本APD器件淬火。重新設(shè)置P。管的寬度為1. lum。 8)采用標(biāo)準(zhǔn)0. 5um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝?yán)L制版圖，并送代工廠流片制作，即得到該型號 "蓋革"工作模式APD器件在0. 5um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下性能最優(yōu)化的被動淬火與恢復(fù)集成電 路。
權(quán)利要求
一種蓋革模式APD器件被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟1)對于某具體型號“蓋革”工作模式APD器件，在實驗室搭建大電阻被動淬火電路，測試其基本特性；2)跟據(jù)測試結(jié)果畫出該器件在該淬火電路下的I-V特性圖，根據(jù)圖形抽象出電壓電流關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式；3)根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式建立表征器件I-V特性的非線性電路模塊，在此基礎(chǔ)上添加器件其它部分結(jié)電容、電路分布電容、壓控開關(guān)、流控開關(guān)；4)在EDA平臺中搭建第一步中所用被動淬火電路，根據(jù)仿真結(jié)果和步驟1中實測結(jié)果調(diào)整步驟3中設(shè)置的分布電容參數(shù)，使仿真結(jié)果與測試結(jié)果吻合；5)用APD被動淬火與恢復(fù)集成電路替換步驟4中搭建的大電阻被動淬火電路，調(diào)整集成電路各部分參數(shù)使電路仿真性能最優(yōu)，最終流片制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種“蓋革”模式APD器件被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計方法。本發(fā)明方法基于目標(biāo)APD器件的實測特性，抽象出I-V關(guān)系式，從而建立非線性模塊表征目標(biāo)APD器件的實測特性，同時在設(shè)計過程加入流控開關(guān)準(zhǔn)確判斷雪崩淬滅時間和控制雪崩淬滅過程，解決了現(xiàn)有設(shè)計方法中不能全面考慮器件整體的非線性I-V特性和動態(tài)的導(dǎo)通電阻，無法準(zhǔn)確判斷雪崩淬滅時間的缺點，從而提高了“蓋革”模式APD被動淬火與恢復(fù)集成電路的設(shè)計精度和設(shè)計效率，提高了被動淬火與恢復(fù)集成電路流片的成功率，降低了設(shè)計成本和制作成本。
文檔編號G01R31/26GK101789040SQ20101010185
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者嚴(yán)奕, 劉強(qiáng), 周揚, 白宗杰, 鄧若漢, 陳世軍, 陳永平 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所