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文豪 黄
(中国科学院高能物理研究所)
Description
本文基于SMIC 55nm CMOS工艺，设计并制造了单片集成的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器及其跨阻放大器（TIA）读出电路。本工作设计了两种不同的SPAD结构：浅结雪崩区结构（结构一）与深结雪崩区结构（结构二）。这两种结构的探测器均包含单像素、3×3阵列及5×10阵列三种规格。读出部分集成了具有三档可调增益的TIA电路，其反馈电阻可分别设置为500 Ω、3 kΩ与12 kΩ，以适应不同测试环境下的增益需求。
目前，该芯片已完成流片与初步功能测试。静态I-V测试结果表明，两种结构的探测器均具备SPAD的雪崩击穿特性，且光照下初级漏电流呈现增加趋势。现阶段重点对结构一的5×10阵列进行了光子响应评估：采用波长625 nm、频率4 MHz、脉宽5 ns的脉冲激光照射芯片，结果表明，经TIA放大的光子雪崩脉冲与外部TTL触发信号保持同步。上述测试数据验证了在55nm工艺节点下单片集成SPAD阵列与TIA电路的物理可行性，表明该芯片可实现对脉冲光子信号的探测，为4D轨迹追踪及光电探测系统的研发提供了器件基础与数据参考。
