單光子雪崩二極管（SPAD）的關鍵特征是能夠探測單個光子并提供數字信號輸出。雪崩倍增過程產生了可探測的電信號，該電信號可以在無需額外電路的情況下被放大到高電壓，從而使SPAD能夠探測單個光子。具體而言，采用CMOS技術制備的SPAD可以探測近紅外（NIR）信號，這是如激光雷達（LiDAR）、飛行時間（ToF）成像和NIR光學斷層掃描等諸多應用的關鍵要求。這些應用需要特定的性能特征，例如高光子探測概率（PDP）。

據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國科學技術研究院（KIST）的科研團隊在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics期刊上發表了以“Back-Illuminated Double-Avalanche-Region Single-Photon Avalanche Diode”為主題的論文。該論文的第一作者為Eunsung Park，通訊作者為Myung-Jae Lee和Woo-Young Choi。

為了提高探測器的PDP性能，這項工作提出了一種雙雪崩區（DAR）SPAD，該SPAD通過摻雜優化擴展了雪崩倍增區。雙雪崩區SPAD采用40 nm CMOS圖像傳感器（CIS）技術制備，這是迄今為止所報道的最先進的CMOS SPAD技術。隨后，研究人員對雙雪崩區SPAD的全部性能進行了清晰的表征和分析，并對傳統的SPAD與雙雪崩區SPAD的電學和光學特性進行了比較，證明了優化的有效性。

為了在背照式（BSI）工藝中提高SPAD的PDP，可以引入微透鏡（microlens）和背面溝槽引導（backside trench guide）等技術。然而，實現額外結構需要專門的設備和工藝，這樣不僅更難控制，而且制造成本也更高。如圖1所示，最具成本效益且最簡單的方法是在不增添任何額外結構下優化摻雜濃度，以擴展直接影響PDP的雪崩倍增區和載流子收集區。

圖1 （a）未經保護環（GR）摻雜優化的傳統SPAD（b）經過GR摻雜優化的雙雪崩區SPAD

如圖2所示，為了驗證并演示上述技術，研究人員采用基于圓形40 nm背照式CMOS圖像傳感器技術制備了雙雪崩區SPAD。SPAD由重摻雜的P型區“P+”與倒摻雜的n型區“深n阱（DNW）”組成，它們連接在一起形成p-n結。為了防止邊緣擊穿并提高PDP，將摻雜優化的p阱（PW）GR置于SPAD的p-n結周圍。傳統SPAD與雙雪崩區SPAD之間的唯一區別就是其PW GR的摻雜分布。

圖2 雙雪崩區SPAD的橫截面圖

接著，研究人員利用TCAD仿真軟件核查了SPAD在2.5 V偏置電壓（VE）下的電場分布，結果如圖3所示，顯示了兩種SPAD的雪崩倍增區的電場分布。

圖3 VE = 2.5 V時兩種SPAD的電場分布圖：（a）采用傳統PW GR的SPAD；（b）采用摻雜優化PW GR的SPAD

隨后，研究人員通過電學和光學實驗對兩種SPAD的特性進行了清晰的評估，從而證明了GR優化的有效性，兩種SPAD的I-V特性和有效活性面積相關測試結果如圖4和圖5所示。研究人員還對兩種SPAD的有效活性區域、PDP、暗計數率（DCR）、時間抖動（Timing jitter）等指標做了詳細的對比和分析。

圖4 兩種SPAD的I-V特性結果

圖5 兩種SPAD在不同偏置電壓下的光發射測試（LET）結果

綜上所述，這項研究提出了一種基于40 nm背照式CMOS圖像傳感器技術制備SPAD的優化方案。SPAD采用重摻雜P型（P+）和倒摻雜DNW結設計和制備。用于擴展雪崩倍增區的摻雜優化GR在最大限度地提高PDP的同時，保留了其原有功能，即在結的邊緣防止過早邊緣擊穿（PEB）。通過將電學和光學實驗結果與傳統SPAD進行比較，研究人員證明了GR優化的有效性。所提出的雙雪崩區SPAD在700 nm處達到了約89%的峰值PDP，在940 nm處達到了約45%的峰值PDP，這是迄今為止報道的SPAD中在2.5 V偏置電壓下的最高值。在相同的工作條件下，其DCR為27 cps/μm2，時間抖動的半峰全寬（FWHM）為89 ps。

審核編輯：劉清