面向皮秒级时间分辨光子探测的硅基SPAD仿真设计
2026-09-06 13:37:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文所提出的SPAD设计实现了更优的击穿局域化、更低的增益灵敏度以及更好的时间响应性能。这些结果表明，该SPAD在下一代量子成像、激光雷达以及高速光通信系统中的集成潜力巨大。
据麦姆斯咨询报道，研究人员近期提出了一种基于仿真设计的硅基SPAD，并针对皮秒级时间分辨光子探测进行了优化。研究人员利用COMSOL Multiphysics软件实现了考虑死区效应的碰撞电离模型，以准确捕捉具有历史依赖性的雪崩行为。引入保护环结构和定制化的掺杂分布，以改善电场约束并抑制边缘击穿。与无保护环的传统结构相比，本文所提出的设计实现了更优的击穿局域化、更低的增益灵敏度以及更好的时间响应性能。这些结果表明，该SPAD在下一代量子成像、激光雷达以及高速光通信系统中的集成潜力巨大。相关研究成果以“Simulation-Based Design of a Silicon SPAD with Dead-Space-Aware Avalanche Region for Picosecond-Resolved Detection”为题，发表于Sensors期刊。
图1展示了仿真设计的SPAD器件横截面布局，包括n⁺、p和p⁺硅层、保护环、顶面钝化层、横向场截止氧化层和最外层的浅沟槽隔离（STI）氧化包围结构。该模型是在COMSOL Multiphysic软件中使用二维（2D）横截面几何形状构建的。这种简化的布局代表了SPAD有源区的垂直剖面。在实际中，器件有源区通常是圆形或接近圆形的；然而，2D近似模型在保持必要的垂直和横向电场调控机制的同时，可以提高计算效率。
图1 SPAD结构的2D截面几何模型
为了准确模拟SPAD的物理行为，采用了以下COMSOL模块和配置：
（1）半导体模块——用于定义核心器件区域，包括n⁺、p和p⁺区域以及保护环，实现载流子传输和复合过程。
（2）稳态研究——用于模拟截止区和外部绝缘层中的稳态分布，确保边界一致性与电场收敛。
（3）采用Okuto-Crowell模型的雪崩产生——专门应用于增益区，以模拟碰撞电离的历史依赖性，并表征雪崩倍增的起始过程。
表1 SPAD结构的关键仿真参数
仿真结果验证了所提出的SPAD结构在实现强电场约束、稳定增益行为和快速雪崩响应方面的有效性。适度掺杂的保护环在调控电场分布方面起着核心作用。如图2、图3和图4所示，保护环成功地将高场区域局域在中心p-n结附近，同时显著抑制了横向电场扩散，并最大限度地降低了边缘触发击穿的风险。相比之下，没有保护环的对照结构表现出更平坦、更分散的电场分布，这可能会导致倍增不稳定和暗计数率（DCR）升高。
图2 无保护环的SPAD结构在Vbias = -6 V时的电场分布
图3 Vbias = -6 V时，有保护环和无保护环的SPAD在y = -0.7 μm处的电场幅值水平截线
图4 使用Okuto-Crowell模型仿真得到的Vbias = -6.0 V时碰撞电离率（Gii）空间分布
考虑死区效应的Okuto–Crowell模型进一步证实，雪崩触发被限制在结下方一个明确的区域内，SPAD器件边缘附近的碰撞电离活动可以忽略不计。这种程度的空间局域化约束是实现稳定载流子倍增的关键，并有助于减少导致时间抖动（timing jitter）的随机变化。观察到碰撞电离率峰值与电场强度吻合良好，证明了该模型在不同偏置条件下的预测能力。
此外，增益行为分析揭示了两种结构之间的关键区别。带有保护环的SPAD表现出更平坦的增益斜率（−0.414），表明其对偏置变化的敏感性较低，雪崩稳定性更佳。相比之下，对照器件中观察到的更陡的增益斜率（−1.092）则意味着增益噪声更高，对过偏压效应更敏感。这一发现表明，空间电场控制可以直接影响噪声性能和器件线性度——这些参数对于需要可靠光子计数和时间精度的应用至关重要。
瞬态仿真进一步凸显了优化电场分布在实现快速雪崩触发方面的优势。在-6.5 V偏压下，所提出的结构表现出低于20 ps的上升时间和更高的峰值端电流，表明了其适用于高速探测应用。这些瞬态结果补充了稳态增益分析，并证实了保护环引入的电场约束不仅改善了击穿局域化，还加快了SPAD器件的响应时间。
图5 反向偏置电压为-5.5 V（红色）、-6.0 V（绿色）、-6.5 V（蓝色）条件下的瞬态端电流响应
尽管取得了这些令人鼓舞的结果，但仍需认识到潜在的制造挑战以及仿真与实验之间的差距。掺杂梯度的精确控制对于维持所设计的电场分布至关重要，偏差可能导致暗计数率升高或雪崩区域偏移。保护环的光刻对准同样构成挑战，因为对准偏差可能会削弱横向约束效果。此外，结曲率变化和工艺引入的缺陷可能会降低制造器件的时间特性和噪声性能。这些因素凸显了进行细致工艺优化和实验验证的必要性，研究人员计划在未来的工作中继续进行。
总体而言，综合结果表明，几何优化与掺杂优化对SPAD性能具有协同增强作用。通过将考虑死区效应的建模与瞬态仿真相结合，本研究为设计具有增强增益稳定性和皮秒级时间分辨率的SPAD提供了一个全面的框架。研究结果强调了电场调控结构在满足先进时间分辨应用（包括激光雷达、量子成像和高速光通信）性能需求方面的重要性。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s25196054
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