高时间分辨率背照式SPAD，助力下一代固态激光雷达
2026-10-17 15:51:53 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
韩国延世大学和TruPixel公司合作开发了一款基于40 nm CMOS工艺的背照式SPAD，兼具卓越的时间分辨率与光子探测概率（PDP）。所设计的SPAD采用优化的外延层和隔离载流子收集区（CCR），在近红外（NIR）波段保持高PDP的同时提升了时间分辨率。
单光子探测器（SPD）在需要超高灵敏度和精确时间分辨率的应用领域已成为不可或缺的关键器件，例如量子密钥分发、时间分辨荧光成像、单分子检测以及激光雷达（LiDAR）等。
在众多单光子探测技术中，单光子雪崩二极管（SPAD）作为一种可扩展且极具实用前景的候选技术脱颖而出。SPAD具备皮秒级时间分辨率，同时拥有固态集成的优势，可实现紧凑、低功耗的高密度探测器阵列。并且，SPAD与标准CMOS制造工艺兼容，使其能够实现高性价比的大规模生产及片上集成。此外，SPAD特别适用于对尺寸和功耗有严苛要求的系统，是移动设备、增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/XR）系统和智能眼镜等新兴平台的理想选择。
据麦姆斯咨询介绍，韩国延世大学和TruPixel公司合作开发了一款基于40 nm CMOS工艺的背照式SPAD，兼具卓越的时间分辨率与光子探测概率（PDP）。所设计的SPAD采用优化的外延层和隔离载流子收集区（CCR），在近红外（NIR）波段保持高PDP的同时提升了时间分辨率。为进一步优化性能，研究团队对多种保护环（GR）结构进行了研究，其中虚拟GR结构在暗计数率（DCR）、时间抖动与PDP方面实现了优异的性能权衡。与已有报道的最先进背照式SPAD相比，该研究设计的器件在保持紧凑像素架构的同时，显著提升了时间精度和近红外效率。相关研究成果已经以“Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR”为题发表于APL Photonics期刊。
SPAD结构优化
该研究旨在通过保护环（GR）结构优化提升SPAD的性能。GR对器件性能影响显著，会改变电场分布、抑制隧穿噪声、调控载流子复合速率并影响输出脉冲特性。经过精心设计的GR可通过抑制边缘预击穿（PEB），在平面结附近形成更均匀、更强的电场，同时还可以通过调整电流路径的电阻，提升输出脉冲的转换速度。
为评估不同GR设计对器件性能的影响，研究团队设计并制造了三种SPAD结构，这些结构的结区与像素间距均保持一致，仅GR实现方式不同。结构1（PW1 GR）采用更深的P阱（宽度1 μm），与阴极间距为0.5 μm。结构2（PW2 GR）使用相同宽度与间距的浅P阱。结构3（虚拟GR）采用反向掺杂深N阱结构，在P+阳极附近的表面区域保留了轻掺杂P外延层。该残留P外延层可作为虚拟GR（宽度1.5 μm），能有效调控结边缘附近的电场分布并优化电流路径。
图1 采用三种GR设计的SPAD结构剖面图
图2 采用三种GR设计的SPAD结构的电学和光学性能
研究团队在相同的测试条件下对其性能进行了表征，以评估GR设计对电流-电压（I–V）特性、DCR、PDP以及时序抖动的影响。实验结果证实，GR设计对SPAD的DCR、PDP和时序抖动等关键参数具有重要影响，虚拟GR结构同时实现了最优的PDP和时序抖动性能。
优化后SPAD的仿真与测量结果
为评估SPAD的光子探测能力，研究团队采用图3所示的实验装置，在较宽的波长范围内测量了PDP。实验以宽带卤素灯作为光源，光线首先经过单色仪，该单色仪可精准选定目标波长，确保波长控制的精度。随后，光线通过长通滤光片，滤除多余的谐波分量，实现目标波段的有效隔离。经滤光和波长选择后的光线被导入积分球，积分球可将光线均匀地分配至被测器件和参考光电二极管（PD）。参考PD与光功率计相连，用于精准测量入射到被测器件上的光功率，从而实现对到达SPAD的光子通量的精确校准。通过示波器对SPAD的响应进行监测，该示波器可对输出电压脉冲进行计数。最终，通过对比探测到的光子数与入射光子数，计算得出PDP。
图3 PDP测量装置与结果
测量结果证实，所开发的SPAD结构可在近红外波段实现高效的光子探测，即便在适中的偏置条件下也展现出良好的响应特性。
图4 时间分辨率测量装置与结果
与当前最先进研究成果的对比
图5（a）对比了该研究提出的SPAD与其他已报道最先进背照式SPAD在时序抖动和击穿电压方面的性能。得益于浅外延层和隔离式CCR，所提出的SPAD在940 nm波长下实现了优异的时间分辨率，同时保持了较低的击穿电压。电场分布的良好约束和优化的载流子传输距离，共同提升了器件的时序特性。
图5 该研究提出的SPAD与当前最先进研究成果的对比
此外，图5（b）同时对比了时序抖动与PDP，结果表明所提出的SPAD在时间分辨率和近红外灵敏度之间实现了良好的平衡。该器件采用单像素测试结构制备，以独立评估其光电特性。在集成微透镜的系统中，其填充因子可有效达到约100%，使测得的PDP能代表PDE。尽管CCR结构相对紧凑，该器件仍兼具高PDP和低抖动性能，优于许多现有背照式SPAD。
图5（c）总结了所提出SPAD和已有报道先进器件的关键参数和性能指标。该研究开发的SPAD采用先进的40 nm CMOS工艺、优化的4 μm外延厚度以及隔离式CCR，这些设计均有助于实现低击穿电压和优异的时序抖动性能。尽管结构紧凑，通过优化GR结构，该器件在940 nm波长下实现了21%的高PDP，证实其在近红外波段的卓越灵敏度，这正是激光雷达和深度传感应用的核心需求。
结论
该研究开发了一种采用3D堆叠40 nm CMOS工艺制造的高性能背照式SPAD。该SPAD经过优化后，具备出色的时间分辨率和更低的反向击穿电压，特别适用于短/中程激光雷达应用。该SPAD的反向击穿电压为15 V，可将过偏压最高提升至5 V。在过偏压为5 V时，其室温DCR为550 cps/μm²，并在-30至90℃的温度范围内对DCR进行了评估，证实该器件可在宽范围工作条件下运行。在过偏压为5 V、波长为940 nm的条件下，其PDP达到21%，在相同条件下实现的时间抖动为46 ps。综上，该SPAD有望在短/中程激光雷达应用中发挥关键作用，尤其是对高时间分辨率有要求的应用场景。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0301124
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