综述：面向紫外探测的CMOS单光子雪崩二极管（SPAD）
2026-09-05 15:26:51   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

紫外（UV）成像能够提供可见光成像难以获取的材料与光谱信息，在工业检测、生物医学和航空航天等领域具有重要的应用价值。单光子雪崩二极管（SPAD）凭借单光子级灵敏度和出色的时间分辨能力，已在可见光和近红外波段的激光雷达（LiDAR）、光子计数及弱光成像等领域取得显著进展。然而，面向紫外光波段的SPAD探测器在器件性能、制造工艺和阵列集成等方面仍面临诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，德国锡根大学（University of Siegen）在IEEE Sensors Journal期刊上发表了题为“ltraviolet Photon Detection in CMOS Single-Photon Avalanche Diodes: A Review”的综述文章，围绕深紫外（DUV）和近紫外（NUV）成像，系统梳理了SPAD的工作原理、关键性能指标、技术挑战及应用进展，重点分析了宽禁带半导体和硅基CMOS紫外SPAD两类技术路线，旨在为下一代高速、大面阵紫外SPAD成像系统的开发提供参考。

图1 本研究的图文摘要

紫外成像

电磁波谱通常划分为紫外光、可见光和红外光等波段。紫外光覆盖的波长范围为10 ~ 400 nm，为人眼不可见波段。按波长不同，紫外光可进一步划分为极紫外（EUV）、真空紫外（VUV）、短波紫外（UVC）、中波紫外（UVB）和长波紫外（UVA）等波段。用于紫外探测的材料主要包括宽禁带半导体和硅。常见宽禁带材料包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、铝氮镓（AlGaN）、金刚石和氧化锌（ZnO）等，具有较好的紫外选择性，其中部分材料可实现日盲探测，并具有耐高温、抗辐射等优势。硅的本征紫外响应相对有限，但工艺成熟、成本较低，便于与读出电路集成。典型紫外光电探测器包括p-i-n光电二极管、雪崩光电二极管（APD）和SPAD，其中SPAD凭借高增益和快速时间响应，近年来受到广泛关注。

图2 紫外波长范围及其应用

SPAD技术

SPAD是一种工作于盖革模式的雪崩光电探测器，其核心是反向偏置超过击穿电压的p-n结。当入射光子被吸收后，产生的载流子进入高电场雪崩倍增区，通过碰撞电离产生更多载流子并触发自持雪崩，使电流迅速增大，从而实现单光子探测。随后，淬灭电路终止雪崩，复位电路使器件恢复至可再次探测光子的状态。

评价SPAD性能时，需要综合考量光子探测概率（PDP）、光子探测效率（PDE）、暗计数率（DCR）、后脉冲概率（APP）、时间抖动和填充因子（FF）等指标。其中，光子探测概率表示入射光子被成功探测并产生计数的概率；暗计数率反映器件在无光条件下产生虚假计数的水平；填充因子则表示像素中有效感光面积所占比例。不同指标之间往往相互制约，需要根据具体应用进行权衡。除了器件本身，读出电路设计也会显著影响紫外SPAD的性能：快速淬灭和合理设置保持时间有助于抑制后脉冲；优化电路版图则可增大有效感光面积，从而提高光子探测效率。

图3（a）p-n结及其倍增区与漂移区；（b）p-n结的工作模式及电流-电压（I-V）特性

图4 淬灭电路及其典型输出波形：（a）被动淬灭（PQ）；（b）主动淬灭（AQ）

将SPAD探测范围拓展至紫外光波段的挑战

将SPAD的探测范围由可见光拓展至紫外光波段，需要解决材料、器件结构和电路设计等方面的问题，并综合优化光子探测概率、暗计数率和填充因子等关键性能指标。

（1）优化光子探测概率

光子探测概率受多种设计和制造因素影响，在紫外光波段尤为明显。主要影响因素包括材料禁带宽度、结深、掺杂浓度、保护环结构、减反射涂层（ARC）、钝化层及淬灭电路。这些参数之间通常存在明显的权衡，需要根据具体应用选择合适的工作条件。

（2）提高填充因子

背照式（BSI）结构可以扩大有效感光面积并增加入射光子通量，从而提高量子效率和填充因子，但为了获得足够的紫外光灵敏度，通常需要大幅减薄硅衬底并优化背面钝化，工艺复杂度高且容易影响机械良率。由于紫外光子的吸收深度很浅，前照式（FSI）结构通常更适合紫外成像，并可获得较好的时间响应，但像素内金属互连和电路会占用面积，导致填充因子及整体光子探测效率下降。3D堆叠可将探测器层与读出电路层分开制造和优化，有助于缓解感光面积与像素功能之间的矛盾，但其制造复杂度和成本仍限制其广泛应用。

图5 用于光子计数的3D堆叠前照式SPAD截面示意图

（3）降低暗计数率

降低暗计数率的方法包括改进制造工艺以减少杂质和晶体缺陷、对器件进行冷却以及优化掺杂分布等。温度是影响暗计数率的重要因素，因为热激发载流子是暗计数的主要来源。宽禁带半导体SPAD的暗计数率通常对温度变化不太敏感，更适合恶劣或温度波动较大的环境；但其击穿电压同样会随温度升高而增大，温度变化趋势与硅基SPAD相似。

已报道的紫外SPAD实现方案

针对紫外SPAD探测所面临的挑战，研究人员已经从掺杂工程、表面光学结构、探测材料和器件结构等方面提出了多种解决方案。

（1）芯片工艺优化

在芯片工艺方面，可采用超浅结、PureB工艺和δ掺杂等方法，缩短载流子收集路径、钝化表面缺陷并改善近表面电场，从而减少载流子损失。定制减反射涂层也能提高紫外光利用率，但目前仍缺少可在整个紫外光谱范围内高效工作的通用材料。此外，通过减薄或局部去除钝化层，或采用紫外兼容材料替代传统钝化层，可进一步降低吸收损失，但也可能削弱器件保护能力，影响长期稳定性。

（2）宽禁带半导体SPAD

宽禁带半导体天然适配深紫外光波段的探测需求，代表性材料包括4H-SiC和GaN。4H-SiC是一种禁带宽度约为3.2 eV、缺陷密度较低的宽禁带半导体，已成功用于低电压CMOS图像传感器。作为一种有前景的宽禁带材料，4H-SiC被广泛用于日盲紫外探测，尤其是280 nm以下的波段。GaN也是具有代表性的宽禁带紫外探测材料，在近紫外光波段具备优异的热稳定性，但器件容易受缺陷密度限制，室温暗计数偏高。

图6（a）典型4H-SiC SPAD截面；（b）前照式GaN SPAD截面

（3）基于闪烁体的紫外敏感SPAD方案

采用下转换材料是实现弱光紫外成像的一种实用方法，尤其适用于硅基SPAD直接紫外探测能力受限的情况。闪烁体和钙钛矿等材料可充当波长转换层，将入射辐射转换到硅基器件更易探测的波段。许多常用闪烁体的发射峰值位于约420 nm，而硅基SPAD和硅光电倍增器（SiPM）在该波段通常具有较高的光子探测效率。

（4）具有紫外灵敏度的CMOS背照式SPAD

与宽禁带半导体SPAD及闪烁体耦合方案相比，CMOS SPAD具有成本较低、可扩展性好和易于大规模集成等优势。近年来，采用绝缘体上硅（SOI）CMOS技术制造的超薄SPAD在提升近紫外灵敏度方面取得了进展。例如，减小结深和衬底厚度，有助于提高紫外光生载流子的收集效率。

图7 晶圆厚度减薄至2.5 μm的紫外敏感CMOS SOI背照式SPAD截面图

（5）具有紫外灵敏度的CMOS前照式SPAD

前照式结构的p–n结位于靠近表面的位置，通常更适合直接探测紫外光。例如，采用65 nm CMOS工艺和p⁺/n阱结的典型前照式SPAD，在约420 nm处表现出峰值灵敏度，但较小的工艺节点也可能带来较高的暗计数率和较低的光子探测效率。

图8（a）采用180 nm CMOS工艺的紫外敏感前照式SPAD像素版图；（b）有源区上方的紫外窗口

图9（a）64 × 32像素SPAD阵列架构；（b）单个像素的电路示意图；（c）64 × 32像素SPAD阵列的显微照片

紫外SPAD探测应用

紫外SPAD探测主要包括宽禁带半导体和硅基两类方案：前者具有耐高温、抗辐射等优势，后者更适合高密度集成、低成本制造及阵列扩展。由于紫外优化CMOS工艺和商用紫外SPAD阵列尚未普及，目前相关阵列报道仍然有限，部分新兴应用采用的仍是传统的光电二极管、APD或普通CMOS图像传感器，而非紫外SPAD阵列。

（1）医学成像

医学成像是近紫外SPAD和SiPM的重要应用领域，代表性应用包括飞行时间正电子发射断层成像（TOF-PET）。PET常用闪烁晶体的发射峰值约为420 nm；切伦科夫光则主要分布于200 ~ 400 nm，产生迅速但光子产额较低。利用紫外SPAD探测切伦科夫光，有望改善符合时间分辨率（CTR），进而提高成像质量。此外，深紫外激发的内源荧光还可用于无标记生物医学成像。

（2）空间成像

用于空间环境的紫外探测器必须承受大幅温度波动和强辐射，因此抗辐射能力及规定温度范围内的稳定性尤为重要。与医学成像相比，空间成像通常允许更长的积分时间，光子探测效率的优先级相对较低，而低暗计数率、稳定的击穿电压以及用于禁用热像素的像素屏蔽机制更加关键。宽禁带半导体SPAD具有较好的环境耐受性；硅基CMOS SPAD方案则受益于成熟工艺、持续改善的噪声性能和较为简便的阵列集成，在先进紫外空间成像系统中具有重要地位。

（3）材料分类

不同材料在紫外光波段具有不同的吸收特性，紫外成像因而能够呈现可见光下难以观察到的对比。由于材料分类通常采用较弱的紫外照明，并且部分材料对紫外光吸收较强，到达探测器的光子数量可能很少，因此需要较高光子探测效率和较低暗计数率来改善信噪比。

（4）国防应用

紫外SPAD在目标跟踪和预警系统中具有应用潜力。此类器件通常需要在阳光下的室外环境中工作，并在不同温度和辐射条件下保持稳定。火焰、爆炸或导弹尾焰等目标会产生紫外辐射，而日盲紫外光波段受到太阳背景的干扰较小。结合SPAD的高灵敏度和快速光子计数能力，有望实现远距离微弱信号探测并提高预警准确性。

研究展望

综上所述，与可见光和近红外SPAD相比，紫外SPAD研究及阵列应用仍处于相对早期阶段。宽禁带半导体SPAD具有日盲探测、耐高温和抗辐射等优势，但在制造成本、工作电压、响应速度和大规模集成方面仍存在不足。硅基CMOS紫外SPAD的耐高温和抗辐射能力通常不及宽禁带器件，但具备工作电压低、功耗低、成本较低、暗计数率较低以及易于集成像素内淬灭和计数电路等系统级优势。

目前，硅基CMOS紫外SPAD是近期实现规模化应用最切实可行、最有前景的路线。未来，相关研究将进一步面向工业、航空航天和生物医学应用开发大面阵、高性能SPAD成像系统，并根据工作波长和抗辐射需求进行定制。随着更多半导体代工厂提供针对紫外SPAD优化的工艺设计套件（PDK），以及超浅结、背照式、3D堆叠、高透射率紫外滤光片和专用紫外窗口等技术逐步成熟，大规模紫外SPAD阵列的商业化进程有望进一步加快。

论文信息：DOI：10.1109/JSEN.2026.3690120

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