一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法技术

本发明专利技术提供的一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，考虑到死空间距离以及非理想因素边缘效应，输入参数来自TCAD Sentaurus仿真提取，基于实际制造值和器件布局，无需加入额外拟合参数，计算发生在二维剖面上每点的击穿概率，非常直观易于优化器件结构，之后根据光学仿真数据以及总击穿概率，计算光子探测概率。并且本发明专利技术可以在Matlab平台中调用GPU进行并行加速计算，提升计算效率，因此本发明专利技术使用建立模型的预测效果和效率都较好。好。好。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法


[0001]本专利技术属于微电子光电器件
，具体涉及一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法。

技术介绍

[0002]单光子雪崩二极管(SPAD)由于具有单光子水平高灵敏度、皮秒级高时间分辨率和易于集成等优点而在CMOS工艺中备受关注。近年来，基于SPADs的微光探测技术不断发展，利用CMOS兼容工艺制备的SPAD已被广泛应用于三维成像、时间门控拉曼光谱利和激光雷达(LiDAR)等领域。
[0003]然而，现有基于一维局域模型(Local
‑
Field Model)的光子探测概率(photon
‑
detection
‑
probability PDP)模型假设在器件所有区域都沿垂直表面的直线运动，由于CMOS SPAD尺寸不断缩小这种假设使得边缘效应加重；并且局域模型在预测过程中会受到电离阈值能量之前所经过的路径的影响，导致其预测效果不佳。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术提供的一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，包括：
[0006]步骤1：获取SPAD的结构、工作电压以及入射光波长；
[0007]步骤2：对SPAD的结构进行电学仿真获得电学仿真数据，以及进行光学仿真获得光学仿真数据；
[0008]其中，电学仿真数据包括：电势、电场强度、横向电场强度以及纵向电场强度，光学仿真数据包括光学产生；
[0009]步骤3：将电学仿真数据以及光学仿真数据进行网格化，得到第一网格以及第二网格；
[0010]步骤4：以横向电场强度以及纵向电场强度形成的二维向量数据作为网格数据，在第一网格基础上结合第二网格，生成两根流线；
[0011]其中，任一流线上的所有点坐标作为路径坐标矩阵；
[0012]步骤5：将每根流线的路径坐标矩阵的坐标值转化为第一网格的网格矩阵中参数的下标，用于对导入的电场、电势和电离率进行索引；
[0013]步骤6：以第一流线的下标作为电子运动路径，以第二流线作为空穴运动路径，分别搜索死空间区域；并根据每个运动路径上死空间区域以及非死空间区域的所有点碰撞电离概率密度，计算第二网格所有交界点的电子碰撞电离概率矩阵以及空穴碰撞电离概率矩阵；
[0014]步骤7：设置计算精度，针对每个类型的碰撞电离概率矩阵，以每一次计算出的碰撞电离概率矩阵作为一下次的输入，计算出第二网格所有交界点的电子击穿概率组成的击
穿概率矩阵；
[0015]步骤8：根据电子击穿概率矩阵以及空穴击穿概率矩阵，计算总击穿概率；
[0016]步骤9：根据光学仿真数据以及总击穿概率，计算光子探测概率。
[0017]可选的，步骤3包括：
[0018]步骤31：在Origin中对电学仿真数据以及光学仿真数据进行网格化，得到平面上分布均匀的数据点；
[0019]步骤32：将数据点导入matlab中作为数值矩阵，生成数据点对应的第一网格以及计算击穿概率点的第二网格；
[0020]其中，第一网格以及第二网格各对应一个网格矩阵，该网格矩阵中的参数表示网格上交界点的坐标。
[0021]可选的，步骤4包括：
[0022]以第一网格上的交界点为坐标，以横向电场强度以及纵向电场强度预设范围作为二维向量数据，以第二网格上的交界点为起点，生成两根流线。
[0023]可选的，步骤6包括：
[0024]步骤61：以第一流线在第一网格下的矩阵下标作为电子运动路径，从起始点搜索至电势升高不小于第一电势的第一目标点或以第二流线在第一网格下的矩阵下标作为空穴运动路径，搜索电势下降不高于第一电势的第二目标点；
[0025]其中，起始点至第一目标点或第二目标点之间的曲线为第一网格上交界点坐标处生成的电子死空间或空穴死空间；
[0026]步骤62：分别计算电子运动路径以及空穴运动路径上死空间区域以及非死空间区域的碰撞电离概率密度，得到电子碰撞电离概率密度和空穴碰撞电离概率密度；
[0027]步骤63：根据电子碰撞电离概率密度，计算电子碰撞电离概率矩阵以及根据空穴碰撞电离概率密度，计算空穴碰撞电离概率矩阵。
[0028]可选的，步骤7包括：
[0029]步骤71：设置计算精度；
[0030]步骤72：针对每个类型的碰撞电离概率，以上次计算出的碰撞电离概率为输入数据，计算第二网格一个交界点的电子击穿概率；
[0031]步骤73：循环执行步骤72直至计算出所有交接点的电子击穿概率，组成一个碰撞电离概率矩阵。
[0032]可选的，步骤8包括：
[0033]步骤81：根据每个碰撞电离概率矩阵，计算击穿概率矩阵；
[0034]步骤82：根据击穿概率矩阵，计算在光入射情况下的总击穿概率。
[0035]可选的，步骤9包括：
[0036]步骤91：根据光学仿真数据，计算量子效率；
[0037]步骤92：将量子效率与总击穿概率相乘，得到光子探测概率。
[0038]可选的，在步骤5之前，单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法还包括：
[0039]将每根流线的路径坐标矩阵中的坐标值四舍五入，保留与第一网格间距相同的小数点位数。
[0040]其中，总击穿概率表示为：
[0041][0042]其中，P
B
＝P
E
+P
H
‑
P
E
*P
H
，表示光学产生，P
B
表示击穿概率矩阵，λ表示入射光波长。
[0043]其中，光子探测概率表示为：
[0044]PDP(λ)＝η(λ)
·
P
b,total
(λ)
[0045]其中，η(λ)表示光子探测概率。
[0046]本专利技术提供的一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，通过对SPAD的结构进行电学仿真以及光学仿真，获得仿真数据；将仿真数据进行网格化，得到第一网格以及第二网格；以横向电场强度以及纵向电场强度形成的二维向量数据作为网格数据，在第一网格基础上结合第二网格，生成两根流线；将每根流线的路径坐标矩阵的坐标值转化为第一网格的网格矩阵中参数的下标，用于对导入的电场、电势和电离率进行索引；以第一流线的下标作为电子运动路径，以第二流线作为空穴运动路径，分别搜索死空间区域；并根据每个运动路径上所有点碰撞电离概率密度，计算第二网格所有交界点的电子碰撞电离概率矩阵以及空穴碰撞电离概率矩阵；设置计算精度，针对每个类型的碰撞电离概率矩阵，以每一次计算出的碰撞电离概率矩阵作为一下次的输入，计算出第二网格所有交界点的电子击穿概率组成的击穿概率矩阵；根据电子击穿概率矩阵以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，其特征在于，包括：步骤1：获取SPAD的结构、工作电压以及入射光波长；步骤2：对所述SPAD的结构进行电学仿真获得电学仿真数据，以及进行光学仿真获得光学仿真数据；其中，所述电学仿真数据包括：电势、电场强度、横向电场强度以及纵向电场强度，所述光学仿真数据包括光学产生；步骤3：将电学仿真数据以及光学仿真数据进行网格化，得到第一网格以及第二网格；步骤4：以横向电场强度以及纵向电场强度形成的二维向量数据作为网格数据，在第一网格基础上结合第二网格，生成两根流线；其中，任一流线上的所有点坐标作为路径坐标矩阵；步骤5：将每根流线的路径坐标矩阵的坐标值转化为第一网格的网格矩阵中参数的下标，用于对导入的电场、电势和电离率进行索引；步骤6：以第一流线的下标作为电子运动路径，以第二流线作为空穴运动路径，分别搜索死空间区域；并根据每个运动路径上死空间区域以及非死空间区域的所有点碰撞电离概率密度，计算第二网格所有交界点的电子碰撞电离概率矩阵以及空穴碰撞电离概率矩阵；步骤7：设置计算精度，针对每个类型的碰撞电离概率矩阵，以每一次计算出的碰撞电离概率矩阵作为一下次的输入，计算出第二网格所有交界点的电子击穿概率组成的击穿概率矩阵；步骤8：根据电子击穿概率矩阵以及空穴击穿概率矩阵，计算总击穿概率；步骤9：根据所述光学仿真数据以及总击穿概率，计算光子探测概率。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31：在Origin中对所述电学仿真数据以及光学仿真数据进行网格化，得到平面上分布均匀的数据点；步骤32：将所述数据点导入matlab中作为数值矩阵，生成数据点对应的第一网格以及计算击穿概率点的第二网格；其中，第一网格以及第二网格各对应一个网格矩阵，该网格矩阵中的参数表示网格上交界点的坐标。3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，其特征在于，所述步骤4包括：以所述第一网格上的交界点为坐标，以横向电场强度以及纵向电场强度预设范围作为二维向量数据，以第二网格上的交界点为起点，生成两根流线。4.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管光子探测概率建模预测方法，其特征在于，所述步骤6包括：步骤61：以第一流线在第一网格下的矩阵下标作为电子运动路径，从起始点搜索至电势升高不小于第一电势的第一目标点或以第二流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳，赵依晗，马瑞，胡进，王夏宇，李栋，朱樟明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：