单光子雪崩二极管（SPAD）的SENTAURUS建模仿真

近十年来，伴随着碳中和政策的落地，新能源车得到了迅猛发展。随之而来的是自动驾驶技术的等级不断提升。而自动驾驶背后不仅仅是一行行代码所包含的算法智慧，更需要精准稳定的电子硬件配合，其中尤以图像传感器和激光雷达为重中之重。本篇所介绍并建模仿真的半导体器件SPAD（Single Photon Avalanche Diode）则是激光雷达的最常用感光单元。

什么是单光子雪崩二极管

SPAD（单光子雪崩二极管）是一种工作在盖革模式（反向偏置电压大于其雪崩击穿电压）利用雪崩击穿实现单光子探测能力的光电二极管。SPAD通常具有高光子探测效率、宽光谱响应范围、极高灵敏度以及低功耗等特性。当雪崩光电二极管工作在反向偏压下时，反向偏压越高，耗尽层中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定的程度时（材料不同，电场大小也不一样），耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新生的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞产生更多的光生电子空穴对，这一过程反复进行，就形成了所谓的雪崩倍增，使入射光信号的输出电流得到放大，这个过程称为雪崩效应。雪崩光电二极管就是利用了雪崩效应，使光电流得到倍增的高灵敏探测器。雪崩电流经过后续电路放大、读出后产生计数脉冲输出。

单光子雪崩二极管的工作过程

首先，反偏电压大于雪崩击穿电压。Vavalanche=VBreakDown+Vexceed，让器件内部耗尽区内拥有极高场强，然后一个光子打进SPAD内部，并产生一个光电子。接着光电子被倍增区收集到，雪崩倍增效应发生，器件输出一个较大的光电流。随后较大光电流引起淬灭-恢复电路工作，将SPAD N端反偏电压降低，雪崩效应停止。雪崩效应停止后大电流消失，淬灭-恢复电路工作将SPAD N端反偏电压恢复至Vavalanche。

结构建立

在SWB 中按照图4的SDE设置不同的仿真实验方案，设置的参数包括Geo：1D仿真和2D仿真，DP：pwell 的Doping Concentration ，XJP：pwell的深度。图5为2D仿真的SPAD掺杂分布图。图中真实的建立的Sub和P-epi为后续长波长光的真实响应度提供基础。

电学特性仿真

在SWB中按图6的Sdevice设置不同的仿真实验方案，设置的参数包括Wavelength：光源的波长 Nph：入射的光子数量（这个值会根据SPAD的感光区面积和普朗克常量换算到入射光强度W/cm2进行具体仿真，因为Sdevice的光源模块只支持W/cm2的参数设置）Rs：淬灭电路的串联电阻阻值 V1、V2：不同模式下SPAD的反偏电压 Ibreak：雪崩击穿时输出的电流值 Emin：倍增区雪崩击穿的最小电场强度 Mode：仿真模式，VB=breakdown voltage击穿电压，BP=breakdown probability雪崩击穿概率，gain=gain calculation（with light）光照下雪崩击穿时的增益计算 。通过运行SDEVICE仿真可以得到图7-图10的SPAD各项特性的分布图。

特性参数提取和显示

根据sentaurus自带的函数库和spad.tcl可以使用svisual提取如图11中相应的器件参数和特性。其中参数包括BV：breakdown voltage雪崩击穿电压 DCP：Dark count probability暗计数率 PDP：Photo detection probability光子探测概率 PDE：Photo detection Efficiency 光子探测效率 R：Reflection 反射率（金属电极或其他材料导致） FF：Fill Factor 填充系数 OAP：Optical absorption probability 光子吸收概率。

图12展示了载流子在不同位置发生雪崩击穿的概率。左边为器件整体多子和少子雪崩击穿概率叠加的分布图（jBreakdownProbability），右边横轴为沿着左图C1线不同深度下的雪崩击穿概率值和电场值，可以看到雪崩击穿概率在电场强度最大的区域也就是耗尽区急剧增加，在离开耗尽区后趋向于稳定并达到最大值。

光谱响应特性仿真

在SWB中按图13的Sdevice设置不同的仿真实验方案，添加参数包括wstart：start wavelength光源波长范围的起始值 wend：end wavelength 光源波长范围的结束值 wsteps：number of wavelength steps 仿真波长的数量（由步长决定） mode：SR for spectral response（V=0V）0V偏压下的光谱响应曲线 PDE for photo detection efficiency（V=20V）20V反偏下的光子探测效率。

光谱响应特性参数提取和显示

根据sentaurus自带的函数库和spad.tcl可以使用svisual提取如图14中相应的器件参数和特性。其中参数添加Rmin：minimum reflection 最小反射率 wRmin：wavelength for Rmin 最小反射率对应的光源波长 EQEpeak：maximum EQE 最大外部量子效率 EQEEpeak：wavelength for EQEpeak 最大外部量子效率对应波长 PDEpeak：maximum PDE 最大光子探测效率 wPDEpeak：wavelength for PDEpeak 最大光子探测效率对应波长。在图15和图16中展示了SPAD完整的光谱响应曲线和量子效率。

部分定义和解释参考新思公司SENTAURUS说明文档，本文禁止任何形式未注明出处的复制和转载

作者长期从事半导体器件仿真，现开器件仿真实例专栏和TCAD软件基本教程专栏分别对各类型半导体器件参数的具体仿真方法和TCAD软件的使用方法进行介绍。

微信公众号：半导体器件仿真 同步更新文章，同时公众号内会不定期进行一些资料和代码的分享，欢迎大家关注，也欢迎大家进入公众号添加作者微信一起讨论半导体工艺和器件仿真的相关问题。