Characterization of small single photon avalanche diode fabricated using standard 180 nm CMOS process for digital SiPM

오진석; 정학천; 이민선; 권인용

doi:10.1016/j.net.2024.03.006

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자료유형: 학술저널

저자정보: 오진석 (과학기술연합대학원대학교) 정학천 (한국과학기술원) 이민선 (한국원자력연구원) 권인용 (연세대학교)

저널정보: 한국원자력학회 Nuclear Engineering and Technology Nuclear Engineering and Technology Vol.56 No.8

발행연도: 2024.8

수록면: 3,076 - 3,083 (8page)

DOI: 10.1016/j.net.2024.03.006

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In this work, single photon avalanche diodes (SPADs) were fabricated using the standard 180 nm complementary metal-oxide semiconductor process. Their small size of 15–16 μ m and low operating voltage made it possible to easily integrate them with readout circuits for compact on-chip sensors, particularly those used in the radiation sensor network of a nuclear plant. Four architectures were proposed for the SPADs, with a shallow trench isolation (STI) guard ring and different depletion regions designed to demonstrate the main performance parameters in each experimental configuration. The wide absorption region structure with PSD and a deep N-well could achieve a uniform electric field, resulting in a stable dark count rate (DCR). Additionally, the STI guard ring was implanted to mitigate the premature edge breakdown. A breakdown voltage was achieved for a low operating voltage of 10.75 V. The DCR results showed 286.3 Hz per μm2 at an excess voltage of 0.04 V. A photon detection probability of 21.48% was obtained at 405 nm.

#Single photon avalanche diodes (SPADs) #Premature edge breakdown (PEB) #Depletion region #Breakdown voltage #Guard ring Dark count rate (DCR) #Photon detection probability (PDP) #On-chip sensor #Standard CMOS

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