硅基单光子雪崩二极管（SPAD）技术：结构、性能与挑战
2026-09-06 15:26:04 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本综述从多个角度对SPAD技术进行了研究与探讨，包括其工作原理、结构变化、性能指标及应用。通过对不同制造工艺技术节点下多种SPAD设计进行对比分析发现，器件结构差异对SPAD性能指标具有显著影响。

单光子雪崩二极管（SPAD）已发展成为一种用途广泛的固态光电探测器，在光子计数、光子计时和先进成像等前沿技术中发挥着关键作用。SPAD具有高时间分辨率、快速响应、高增益、高量子效率以及不受磁场影响等优异特性，使其成为传统光电倍增管（PMT）的有力替代方案。SPAD具备独特的单光子探测能力，结合其数字化输出和尺寸紧凑等特点，使其成为激光测距、环境监测和医疗保健等众多领域应用的首选。

据麦姆斯咨询报道，麦克马斯特大学（McMaster University）在IEEE Electron Devices Reviews期刊上发表了题为“Silicon-Based Single Photon Avalanche Diode Technologies: Structures, Performance, and Challenges”的综述文章，对SPAD技术进行了全面概述，重点围绕其设计原理、性能指标及应用展开分析。首先，探讨SPAD工作原理及关键性能指标；随后，考察不同工艺技术节点下的多种SPAD结构，并进行对比分析，以梳理该领域的最新技术进展。基于上述综述，总结了多种提升SPAD性能的技术手段，包括掺杂分布工程，例如引入高电压层和掺杂补偿层；优化光学堆栈结构；以及集成高速前端电路等。随后，介绍面向不同应用的优值系数（FOM），并评估这些指标对于所讨论SPAD结构的适用性。此外，文中还讨论了SPAD设计中的新兴发展趋势，例如利用掩模层技术实现器件性能的显著提升。最后，文章总结了SPAD技术当前面临的研究挑战、潜在解决方案及未来发展方向，为推动这一快速发展的技术领域进一步创新提供有价值的参考。

SPAD工作原理

SPAD是一种反向偏置的p-n结，其工作时施加高于击穿电压（图1中位置3对应的电压）的过偏置电压（图1中位置1对应的电压），从而实现单光子探测。这种工作状态称为盖革模式（Geiger mode）。在盖革模式下，耗尽区内会形成很强的电场，并通过碰撞电离触发雪崩电流。图1展示了SPAD中p-n结的工作原理。

SPAD工作原理示意图

图1 SPAD工作原理示意图

在未探测到光子的情况下，SPAD保持在关断（OFF）状态（1），此时不会产生雪崩电流。当光子与耗尽区发生相互作用时，会触发雪崩电流，使SPAD由关断状态转换为导通（ON）状态（2）。为防止持续的高强度雪崩电流对器件造成损坏，需要通过淬灭电阻将反向偏置电压降低至低于击穿电压。待器件状态稳定后，SPAD重新充电并恢复至关断状态，从而为下一次光子探测事件做好准备。

接下来，文中探讨了SPAD的关键性能参数，包括：光子探测概率（PDP）、暗计数率（DCR）、后脉冲（AP）、击穿电压（V_BR）、死区时间（DT）、时间抖动（TJ）。

光子探测概率（PDP）用于量化入射到SPAD上的光子产生可检测雪崩电流的概率，从而有效表征传感器对光子的探测效率。为实现80%~90%的PDP，研究人员正利用先进的制造工艺技术节点和创新器件结构来提升SPAD性能。例如：（1）BCD工艺技术：将双极型（Bipolar）、CMOS和双扩散金属氧化物半导体（DMOS）器件集成于同一平台，从而兼顾模拟信号处理、数字控制和高功率应用。（2）CMOS图像传感器（CIS）集成：采用多层结构增大有源像素区域并提高过偏置电压（Vₑₓ），从而提升PDP。

暗计数率（DCR）是SPAD中的一项关键噪声参数，用于表示在没有入射光子的情况下发生虚假探测的速率。DCR通常以每秒计数次数（cps）或赫兹（Hz）为单位进行测量。当SPAD在没有实际光子探测事件的情况下产生电脉冲时，就会产生DCR，这会显著影响传感器在低照度应用中的性能。

暗噪声产生机制示意图

图2 暗噪声产生机制示意图

与SPAD设计和CMOS工艺相关的多种因素都会对DCR产生影响，这些因素包括：过偏置电压、温度、击穿电压、工艺技术节点、材料杂质以及保护结构（Guarding）。为了降低DCR，设计人员必须在SPAD设计中仔细平衡各项权衡因素。例如：（1）保护环：在有源区域周围设置保护环，可以抑制边缘击穿，并通过隔离高电场区域来降低DCR。（2）材料质量：采用高纯度材料和先进的制造工艺，可以降低材料中的缺陷陷阱密度和杂质含量，从而降低DCR。（3）温度控制：在较低温度下工作可以显著降低载流子的热生成功率。

后脉冲（AP）是SPAD中与DCR相关的一种次级现象。当先前一次雪崩事件产生的被俘获载流子发生释放，并进一步触发二次雪崩时，就会产生后脉冲，从而导致虚假探测。这种效应会对SPAD的性能产生显著影响，尤其是在量子传感和激光雷达（LiDAR）等高精度应用中。降低AP最有效的方法是优化SPAD的前端电路。具体而言，通过改进淬灭与复位电路，可以显著抑制AP，其原理是在被俘获载流子有机会触发二次雪崩之前，使其完成复合。

为了确保SPAD在盖革模式下工作，首先需要测量SPAD结的击穿电压（V_BR）。该电压取决于具体的p-n结设计以及CMOS工艺的制造细节。随着CMOS工艺向更小的技术节点发展，击穿电压通常会由于更高的掺杂浓度和更窄的结区宽度而降低。此外，击穿电压的温度系数会随温度升高而增大。这是因为温度升高会导致更强的声子散射，使载流子更难获得达到雪崩倍增所需的能量阈值。

击穿电压的值会影响SPAD的其它参数。然而，击穿电压与DCR之间的关系并不简单直接。尽管较高的击穿电压通常与较低的DCR相关，但这种关系并非普遍成立。击穿电压反映了雪崩区域和吸收区域的电压共同作用，而这两个区域的电压会随器件结构设计和材料质量的不同而变化。

在SPAD中，器件需要施加高于击穿电压的偏置电压，以实现盖革模式工作。当入射光子触发雪崩后，需要通过淬灭电路终止具有自持特性的雪崩过程。随后，复位电路将SPAD恢复至初始偏置状态，使其能够继续探测下一个光子。从雪崩开始到SPAD完成复位这一整个探测周期所需的总时间，被定义为死区时间（DT）。DT可以表示为被动淬灭时间和复位时间之和。

被动淬灭与复位电路及主动淬灭与复位电路示意图

图3 被动淬灭与复位电路及主动淬灭与复位电路示意图

为了缩短死区时间，可以采用差分淬灭与复位电路，即在SPAD的阳极和阴极两侧分别增加电阻。该方法能够改善复位时间并降低AP，同时不会对DCR产生显著影响。此外，也可以采用主动淬灭与复位（AQR）电路。通过动态控制淬灭和复位过程，该类电路可以将死区时间缩短至数纳秒。

时间抖动（TJ）是SPAD的另一项关键性能参数，用于表征从光子吸收到电子电路检测到相应雪崩脉冲之间延迟时间的变化程度。这种时间变化源于SPAD内部载流子产生、输运以及雪崩倍增过程所具有的随机性。时间抖动会直接影响SPAD的时间分辨率，而这对于时间相关单光子计数（TCSPC）、激光雷达以及量子密钥分发（QKD）等应用至关重要。表I总结了降低时间抖动的一些策略，及其所带来的权衡问题。

表I 时间抖动降低策略及其权衡问题总结

时间抖动降低策略及其权衡问题总结

SPAD制造工艺变化与技术进展

40~140 nm工艺节点的SPAD采用了多样化的器件结构，并通过结区、保护环以及制造工艺的协同设计，对器件性能进行优化，重点提升PDP、DCR和时间分辨率等性能指标。近期，SPAD在相关性能指标方面均取得了显著进展。例如，采用40 nm CIS背照式（BSI）工艺的SPAD采用p阱/深n阱（DNW）结结构，并结合渐变掺杂的DNW保护环，在675 nm波长下实现了创纪录的81%PDP。相比之下，55 nm BCD工艺SPAD采用p+/高电压n阱（HVNW）结构，实现了较低的DCR，达到4.4 cps/μm²。65 nm CMOS工艺节点则重点采用浅p+/n阱结结构，以提高对蓝光/紫外光的探测灵敏度，但同时面临DCR方面的权衡，其DCR最高可达2,800 cps/μm²。未来的研究应重点关注淬灭电路的单片集成，以及SiGe等先进材料的应用，以满足激光雷达、量子传感和生物医学成像等应用对SPAD性能的需求。

55 nm BCD和CIS工艺中不同结结构SPAD的横截面示意图

图4 55 nm BCD和CIS工艺中不同结结构SPAD的横截面示意图

150~350 nm工艺节点的SPAD展现出不断演进的设计策略，在结区深度、保护环设计和制造工艺之间进行有针对性的权衡，以平衡PDP、DCR和时间抖动等性能指标。其主要技术进展包括掺杂工程结、衬底隔离层以及保护环结构创新。其中，180 nm工艺节点中的p-i-n二极管结构以及HVPW/HVBN结结构，在PDP和DCR方面表现出优异性能，非常适用于激光雷达和生物医学成像等应用。未来的研究可以重点关注先进掺杂技术（例如渐变掺杂分布）、与先进淬灭和复位电路的集成，以及3D堆叠技术。此外，采用基于硅的材料体系，例如SiₓGe₁₋ₓ或SiₓGeᵧC₁₋ₓ₋ᵧ，也有望进一步提升SPAD的响应速度和规模扩展能力。通过针对性调整结区深度、保护环结构以及偏置参数，可以使SPAD针对从量子传感到时间分辨荧光等不同应用进行优化，从而即使在较为成熟、技术节点相对老旧的工艺平台上，仍能保持较高的应用价值。

350 nm CMOS工艺中不同结结构SPAD的横截面示意图

图5 350 nm CMOS工艺中不同结结构SPAD的横截面示意图

SPAD应用中的优值系数及其意义

为了评估SPAD的效率，文中提出了两种优值系数（FOM），用于针对不同应用场景识别和筛选优化的SPAD结构，例如激光雷达、光无线通信（OWC）和正电子发射断层扫描（PET）。这两种FOM能够根据具体应用需求，为选择最优SPAD设计提供有价值的参考。

SPAD研究挑战与未来方向

硅基SPAD特别适用于需要单光子灵敏度、超快时间分辨率和低噪声工作能力，同时又要求低成本的应用场景。例如，可用于自动驾驶汽车的激光雷达、量子传感、量子密码以及飞行时间（ToF）成像或生物医学诊断中的荧光寿命成像等。对于这些相关应用而言，单光子灵敏度、亚纳秒级时间分辨率、低暗计数率以及可扩展性等关键因素，在决定SPAD整体性能和经济可行性方面发挥着至关重要的作用。尽管硅基SPAD具有巨大的应用潜力，但要充分释放其潜能，仍需要解决一些关键挑战（图6）。

SPAD面临的研究挑战

图6 SPAD面临的研究挑战

未来SPAD的发展将重点推进向更先进工艺节点扩展以及优化掩模层设计，以实现低成本制造。SPAD器件结构方面的创新，例如异质结和保护环，旨在提高PDP并抑制DCR；同时，通过采用新型像素版图形状（例如六边形像素），可以降低串扰。集成电路方面，通过集成片上时间数字转换器（on-chip TDC）和自适应淬灭电路，可进一步提高时间分辨率（达到约皮秒级）和功耗效率。通过对过偏置电压进行电调控，可以使SPAD根据环境变化进行动态适应。背照式（BSI）技术结合3D堆叠能够最大限度地提高填充因子；同时，利用人工智能（AI）/机器学习（ML）算法优化噪声抑制和实时光子处理，有望推动SPAD在激光雷达、量子成像和生物医学诊断等领域取得突破。

SPAD未来研究方向