极弱光光电探测器关键技术探索与信号处理电路单芯片集成研究

Based on these preliminary studies of single photon detection devices and CMOS image sensor technology, this project aims to explore a photoelectric detector with a very high sensitivity and super fast time response integrated with the signal readout circuits. This photoelectric detector can be applied for the unmanned aerial vehicle to work in the a very weak light.. The two key technologies will be resolved that is the single photon sensitivity detectors class human retinal function and the picosecond high-speed signal processing circuit structure. In order to achieve the CMOS photoelectric detector operated in a very weak light, three innovations are adopted and verified as the single-chip integrated single-photon response high-speed photodetector, picosecond high-speed signal processing circuits, and both high speed analog to digital converter and single photon detector integrated on the same chip. From the device level, the high-sensitivity photodetectors are obtained to resolve the imaging requirements under the low light and at high speed. The high-speed SOC photoelectric detector with the very high sensitivity and super fast time response characteristics can solve the traditional problems of target tracking stability, image blurring distortion and target tracking lost. The project achieves some breakthroughs in the photoelectric detector based on the single photon sensitivity detectors and the picosecond high-speed signal processing circuit technology.

本项目旨在单光子检测机理、器件和CMOS图像传感器技术前期研究基础上，探索应用于无人机工作在极弱光环境下的一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件及单芯片系统集成读出电路技术。将解决类人眼视网膜功能的单光子灵敏度探测器和皮秒级高速信号处理电路结构两大关键技术。形成集单芯片集成单光子响应灵敏度高速光电探测器、皮秒级高速信号处理电路和极高速模数转换器与单光子探测器集成在同一芯片以实现极弱光探测CMOS光电检测芯片这三个创新点，并进行相应技术验证。以期达到从器件级上解决在极高速或者弱光下高速成像要求的高灵敏度光电检测器，研制具有极高灵敏度和超快时间响应，能够解决传统高速视觉系统在震动、干扰等恶劣环境下所遇到的跟踪目标稳定性差、图像模糊失真、跟踪目标丢失等问题的高速单芯片集成光电探测器，能够在以芯片级集成单光子灵敏度探测器机理和皮秒级高速信号处理电路技术的极弱光探测光电传感器方面取得一些突破。

极弱光光电探测器技术可以广泛应用于荧光光纤温度传感器探测、室内机器人导航距离探测、生物医药的分析等，也可以应用于导弹预警、制导、生化分析等国防和国家安全领域的应用。本项目针对极弱光光电探测技术存在探测量子效率低、灵敏度低、难与信号处理电路单片集成、成本高和体积大等缺点，基于CMOS工艺从提高量子效应技术、高灵敏度技术入手研究极弱光探测关键技术。基于硅基研究提高光量子效率、降低噪声、提高弱光响应灵敏度的原理，建立了器件各种光学、电学特性解析和电路模型，提出了一种极弱光光电探测的新器件结构，从工艺实现的角度提出了一些新的纵向或平面器件结构。采用数值建模、工艺模拟和计算机仿真，建立器件光学、电学特性解析和电路模型并进行仿真。基于理论建模和分析的基础上，进行结构设计和仿真，在标准的CMOS工艺进行了3批次累计30余个器件的流片和测试，通过器件制备、参数测试、反馈并改进模型和结构。基于分析设计的器件结构，研究高灵敏度的光电探测器读出电路技术，实现单芯片集成高性能光电探测器件和信号处理电路的关键技术。同时针对单光子探测器件单芯片集成需求的静电保护器件进行研究，并优化一些新的器件结构，最终完成电路仿真、优化参数、版图设计、芯片试制和验证。在标准的 CMOS工艺进行了流片，通过制备、封装和参数测试，达到设计目标。基于上述研究工作，取得以下成果：发表学术论文49篇，其中SCI检索22篇、EI检索18篇、会议论文18篇、中文期刊论文9篇；申请或获得国家知识产权6项，其中授权发明专利4项、获得实用新型专利2项；培养14名研究生，其中12名硕士研究生和2名博士研究生，培养2名年轻科技人员。本项目交叉结合光电子学、微电子电路学、计算机学等相关技术提出的极弱光光电探测器件和读出电路技术完全与CMOS工艺兼容，有望实现光探测器与信号处理电路集成的微型化，对提升极弱光光电探测关键技术水平具有重要意义。