單光子探測器是一種可檢測單個光子能量的高靈敏度器件。按工作原理不同，單光子探測器可分為光電倍增管（PMT）、超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）和單光子雪崩光電二極管（SPAD）。

SPAD是一類利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部載流子的雪崩倍增效應(yīng)實現(xiàn)高靈敏度探測的光電器件，工作在蓋革模式，其工作電壓高于擊穿電壓，內(nèi)部增益可達到10?~10?，可進行單光子級信號探測。目前，技術(shù)相對成熟的是Si材料SPAD和InGaAs材料SPAD。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光譜范圍內(nèi)有高量子效率，是1.06、1.55 μm主動激光探測的理想探測器。

InGaAs單光子雪崩焦平面基于陣列化技術(shù)，將高效率InGaAs SPAD陣列芯片與CMOS計時/計數(shù)讀出電路芯片集成封裝，可對光子信號進行時間量化，具有高靈敏、高精度、小體積、全固態(tài)的特點，在激光三維成像、遠距離激光通信、稀疏光子探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是近年來單光子探測領(lǐng)域的研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，重慶光電技術(shù)研究所與量子通信核心光電器件重慶重點實驗室的聯(lián)合科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“InGaAs單光子雪崩焦平面研究進展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為崔大健正高級工程師，主要從事InGaAs單光子雪崩焦平面技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面的研究工作。

文中首先介紹了InGaAs單光子雪崩焦平面的結(jié)構(gòu)及基本原理，結(jié)合筆者單位工作回顧了國內(nèi)外單光子雪崩焦平面技術(shù)的研究進展，并對未來技術(shù)發(fā)展進行了討論和展望。

InGaAs單光子雪崩焦平面結(jié)構(gòu)及基本原理

InGaAs單光子雪崩焦平面通常采用PGA封裝（PGA），結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。InGaAs SPAD陣列芯片和CMOS讀出電路經(jīng)銦柱倒裝互連，并與微透鏡進行耦合。芯片貼裝在陶瓷基板上，TEC制冷器（TEC）對芯片進行制冷，降低芯片溫度。管殼與陣列芯片通過金絲進行電連接。入射光子經(jīng)芯片匯聚到吸收層有源區(qū)，被吸收后轉(zhuǎn)化成電子-空穴對，載流子在內(nèi)部電場作用下遷移到倍增層。

由于InGaAs SPAD陣列芯片工作在擊穿電壓之上的過偏壓蓋革模式下，倍增層高電場促使載流子在倍增層迅速碰撞離化引發(fā)雪崩，產(chǎn)生宏觀電流并傳輸?shù)紺MOS讀出電路。CMOS讀出電路提供像素級電接口，對單像素產(chǎn)生的雪崩電流進行檢測并淬滅，輸出經(jīng)時間量化的信號。微透鏡通過高精度對準(zhǔn)連接到背照式SPAD陣列芯片，確保高填充因子。InGaAs單光子雪崩焦平面的核心是SPAD陣列芯片和CMOS讀出電路芯片，直接決定了器件的性能。

圖1 InGaAs單光子雪崩焦平面結(jié)構(gòu)示意圖

SPAD陣列芯片

InGaAs SPAD陣列芯片的縱向器件結(jié)構(gòu)通常采用的是吸收層、能帶漸變層、電場控制層和雪崩倍增層分離的SAGCM外延結(jié)構(gòu)，可以在InP襯底之上依次順序（頂部為P型接觸層的P-i-N結(jié)構(gòu)）或者逆序排列（頂部為N型接觸層的N-i-P結(jié)構(gòu)）。各功能層作用如下：

（1）吸收層根據(jù)入射光的工作波長，InGaAs材料的禁帶寬度為0.74 eV，長波截止吸收波長為1.7 μm。

（2）電場控制層用于調(diào)控縱向電場分布，通過提高倍增層電場促進雪崩碰撞離化，抑制吸收層電場降低隧穿概率。通常電荷濃度越高，倍增層與吸收層電場差異越大；

（3）過渡層主要是降低吸收層載流子向倍增層渡越的價帶勢壘，消除異質(zhì)界面結(jié)空穴積累效應(yīng)；

（4）倍增層使得載流子在其中發(fā)生雪崩碰撞離化從而實現(xiàn)高增益，采用的InP（Eg~1.35 eV）材料，倍增層厚度一般在0.8~1.4 μm。

InGaAs SPAD陣列芯片的橫向器件結(jié)構(gòu)主要分為平面型和臺面型兩種。

（1）平面型SPAD器件結(jié)構(gòu)通常采用掩埋P-N結(jié)，通過光刻SiNx介質(zhì)膜圖形來確定Zn摻雜的擴散區(qū)域以及有源區(qū)，并使用兩次擴散來調(diào)整P-N結(jié)輪廓，以使結(jié)在有源區(qū)的中心部分比在結(jié)外圍更深，這種設(shè)計確保了有源區(qū)中心部分的增益分布是均勻的，且高于邊緣外圍區(qū)域增益，確保邊緣擊穿抑制、低暗電流（<1 nA）和高可靠性。在陣列像元間刻蝕了深度達到緩沖層的隔離槽，一方面防止像素陣列間二次電致光子的光學(xué)串?dāng)_，另一方面阻斷吸收層載流子橫向的電學(xué)串?dāng)_。平面結(jié)構(gòu)還包括了與像元有源區(qū)中心對準(zhǔn)的正面In柱和背面增透膜，分別用于CMOS讀出電路倒裝互連和探測器芯片背照進光。倍增層需使用擴散及摻雜工藝，因此平面結(jié)構(gòu)采用倍增層在上，吸收層在下的P-i-N結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 平面型SPAD芯片結(jié)構(gòu)示意圖

（2）臺面型SPAD器件結(jié)構(gòu)的P-N結(jié)通過外延生長而成，吸收區(qū)在倍增區(qū)上方，如圖3所示。與通過擴散摻雜來限定有源區(qū)的平面結(jié)構(gòu)不同的是，其有源區(qū)邊緣由臺面的蝕刻結(jié)構(gòu)確定。臺面刻蝕工藝一般選用各向同性的非選擇性腐蝕溶液進行濕法刻蝕，能夠在側(cè)壁形成光滑連續(xù)坡面。一方面，該坡面便于有機和無機介質(zhì)在側(cè)壁表面形成良好覆蓋，提高鈍化效果；另一方面，該斜坡結(jié)構(gòu)能夠增大底部倍增層橫向?qū)挾龋弥行挠性磪^(qū)到邊緣的距離，降低高電場倍增層側(cè)壁邊緣的電場，減小暗電流。臺面結(jié)構(gòu)設(shè)計通常采用n?型InP襯底，除臺面以外的材料都會被去濕法刻蝕除掉，形成相互隔離的像元。

圖3 臺面型SPAD芯片結(jié)構(gòu)示意圖

CMOS讀出電路芯片

CMOS讀出電路的功能是用于檢測、時間量化以及淬滅SPAD芯片產(chǎn)生的雪崩信號，是實現(xiàn)器件功能的重要部分。InGaAs單光子雪崩焦平面的讀出電路最早由林肯實驗室開發(fā)，其基本框圖結(jié)構(gòu)如圖4所示。CMOS讀出電路芯片的單像素電路包括前端電路、計時電路和用于控制像素工作狀態(tài)的像素控制電路。前端電路包括：為SPAD提供電壓偏置的偏置電路、用于快速檢測雪崩事件的鑒別器電路以及淬滅電路。計時電路用于光子飛行時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換，其輸入與鑒別器的輸出相連。像素控制器相當(dāng)于有限狀態(tài)機，用于控制SPAD偏置到過偏壓狀態(tài)、低功耗等待狀態(tài)、非使能狀態(tài)等。當(dāng)前端電路檢測到雪崩事件后，淬滅電路快速淬滅SPAD并進入等待狀態(tài)，經(jīng)過預(yù)設(shè)時間后像素控制電路控制SPAD進入過偏壓狀態(tài)，預(yù)設(shè)時間的長短將直接影響后脈沖的發(fā)生概率。

圖4 讀出電路基本框圖

InGaAs單光子雪崩焦平面的進展

InGaAs單光子雪崩焦平面的關(guān)鍵指標(biāo)包括陣列規(guī)模、像元中心距、探測效率、暗計數(shù)率、時間抖動、累積串?dāng)_概率、時間分辨率等。下面圍繞這些指標(biāo)，從SPAD陣列芯片、讀出電路兩方面的進展進行介紹。

SPAD陣列芯片研究進展

陣列規(guī)模與中心距

SPAD陣列芯片的陣列規(guī)模和中心間距決定了器件的空間分辨率。更大陣列規(guī)模、更小中心間距可以獲得更清晰的目標(biāo)信息。早期MIT-LL的Heinrichs等人采用橋接互連方式，將單個CMOS讀出電路芯片與SPAD晶圓通過環(huán)氧樹脂面對面貼合。這種方式通過水平爬坡電極將CMOS讀出電路芯片與SPAD芯片進行電連接，占用面積較大。2011年，Itzler等人研制了128×32規(guī)格InGaAs單光子雪崩焦平面，該器件通過器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及銦柱互連的方式縮小了像元尺寸，像元間距減小到50 μm ，如圖5所示。Younger等人新設(shè)計器件的目標(biāo)是將像元間距進一步減小到25 μm，陣列規(guī)模為256×256。國內(nèi)方面，重慶光電技術(shù)研究所研制的64×64 InGaAs單光子雪崩焦平面如圖6所示，像元間距為50 μm，探測效率20%，暗計數(shù)率10 kHz，時間分辨率小于1 ns，目前已成功擴展到256×64，性能參數(shù)如表1所示。

表1 InGaAs單光子雪崩焦平面參數(shù)

大陣列小間距SPAD陣列芯片的發(fā)展主要受限于小間距的單元器件設(shè)計和陣列芯片工藝。主要手段包括：（1）采用高效率光敏芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計，并縮小像元尺寸；（2）采用像元間有效隔離結(jié)構(gòu)抑制串?dāng)_；（3）采用高質(zhì)量表面鈍化降低暗電流；（4）采用高質(zhì)量外延及結(jié)擴散工藝，保證陣列芯片一致性；（5）提高小像元下微透鏡的耦合效率。

串?dāng)_抑制

對于大陣列器件，串?dāng)_是影響成像質(zhì)量的重要因素。由于SPAD的高增益特性，鄰近像元產(chǎn)生的極少量光子或漂移電流都可能導(dǎo)致雪崩觸發(fā)。串?dāng)_主要來源于電串?dāng)_和光串?dāng)_。像元間的深槽可以有效隔離電串?dāng)_。而光串?dāng)_主要來源于入射雜散光、鄰近像元的倍增區(qū)中熱載流子熒光輻射的次級光子，這些非信號光通過背面反射和橫向渡越傳播到相鄰像元，如圖7（a）所示。倍增區(qū)中熱載流子熒光輻射光譜主要分布在900~1000 nm附近，如圖7（b）所示。Acerbi等人采用平面隔離溝道的方式，將串?dāng)_概率控制在5%~15%左右。

2009年，Younger等人通過在陣列芯片上設(shè)置光譜濾波層和空間濾波層的方法，用光譜濾波層直接將950 nm范圍附近的熒光輻射次級光子吸收掉，配合空間濾波層減少串?dāng)_光子數(shù)，使過偏壓2.4 V下的串?dāng)_從~1%降低至~0.1%，串?dāng)_概率下降了1個數(shù)量級，如圖7（c）所示。但在高偏壓下，依然存在串?dāng)_概率大的問題。2018年，Diagne等人進一步開發(fā)了結(jié)合襯底移除的像元隔離技術(shù)，實現(xiàn)像元正面和背面的完全隔離，切斷了次級光子傳播的路徑，使串?dāng)_概率下降約150倍，同時將光譜響應(yīng)拓展到可見光波段。2020年，Yuan等人基于III-V族化合物工藝平臺研制的InGaP蓋革雪崩焦平面，也采用了該像元隔離技術(shù)，使雪崩焦平面在高探測效率下，仍然能夠有效抑制陣列像素的串?dāng)_。

圖7 （a）串?dāng)_來源示意圖；（b）SPAD自發(fā)輻射光譜；（c）串?dāng)_抑制

探測效率與暗計數(shù)

為提升InGaAs單光子雪崩焦平面的探測效率、暗計數(shù)等性能參數(shù)，研究人員做了諸多努力。探測效率方面，Donnelly等人通過建立數(shù)學(xué)模型，詳細分析了SPAD器件結(jié)構(gòu)中各材料層參數(shù)對光電性能的影響。重慶光電技術(shù)研究所設(shè)計了一種增強吸收SPAD結(jié)構(gòu)，將單光子探測效率提升了20%，最高探測效率達到60%。

在減少暗計數(shù)方面，提高外延材料質(zhì)量也是實現(xiàn)高性能器件的重要方式。Chapman等人研究了有機金屬氣相外延的生長溫度、生長速率和V/III比值等工藝條件，使InGaAsP/InP材料300 K下的暗計數(shù)降低44%。

CMOS讀出電路及應(yīng)用進展

InGaAs單光子雪崩焦平面是一種光子信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的陣列探測器，針對光子信號的種類與獲取頻率等不同功能的定制方案可以滿足多種不同的應(yīng)用需求，包括激光雷達、超遠距離激光通信和稀疏光子成像等。其中讀出電路芯片是不同方案的主要差異，其負(fù)責(zé)完成焦平面除光電轉(zhuǎn)換外的其他功能的定義與實現(xiàn)。

激光雷達

快閃型激光雷達系統(tǒng)通過用激光短脈沖照射目標(biāo)場景并在焦平面上接收反射回來的激光脈沖信號完成成像，焦平面上每個像素獨立完成回波脈沖的“光子飛行時間”測量，經(jīng)數(shù)據(jù)算法處理后獲得空間深度三維圖像。其中激光回波的探測由SPAD陣列芯片實現(xiàn)，其輸出行為近似于光控數(shù)字開關(guān)，有光時輸出為“1”，無光時輸出為“0”，即便是單個“光子”量級的信號，其響應(yīng)速度也可達皮秒級，因此，其極其適合需要精確量化“光子飛行時間”的應(yīng)用。像素電路實現(xiàn)類似計時秒表功能，激光發(fā)射時開始計時，在檢測到回波光子事件后停止計時，在激光脈沖之間的時間間隔（數(shù)十微秒級）中讀出計時數(shù)據(jù)，較長的時間間隔可以有效抑制后脈沖，但也會導(dǎo)致激光雷達用焦平面只能工作在低時間占空比情況下。

用于激光雷達的陣列讀出電路像元結(jié)構(gòu)如圖8所示。讀出電路采用數(shù)字計數(shù)器記錄計時時鐘周期個數(shù)的原理完成時間測量，但是時鐘頻率會限制時間精度；為了降低計時時鐘頻率，采用帶游標(biāo)位的多段時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器方案實現(xiàn)時鐘相位的細計數(shù)，完成亞ns級以上的計時精度；計時時鐘采用500 MHz，細計數(shù)采用4相位就可以實現(xiàn)0.5 ns的分辨率。

圖8 激光雷達用像素電路原理結(jié)構(gòu)圖

隨著陣列規(guī)模的擴展，能效比提升在讀出電路架構(gòu)設(shè)計中的重要性逐步增加。目前讀出電路的主流工藝節(jié)點為180 nm CMOS。相比早期的讀出電路架構(gòu)（350 nm），其能效比得到大幅提高。在遠距離激光雷達應(yīng)用中，每幀的光子事件比較稀疏，三維圖像通常使用多個幀的疊加處理來構(gòu)建。最新的讀出電路架構(gòu)設(shè)計中利用了這種稀疏檢測的特性，計時電路采用光子事件驅(qū)動計時的方案，只有檢測到光子事件的像素計時電路才開始計時工作，所有像素統(tǒng)一結(jié)束計時，并在讀出狀態(tài)讀出像素數(shù)據(jù)。讀出中還在讀出數(shù)據(jù)流中設(shè)計數(shù)據(jù)減薄算法，使功耗、數(shù)據(jù)量與陣列中活動像素數(shù)成正比。傳統(tǒng)方案由于功耗限制其幀頻只設(shè)計到20 kf/s的幀速率，而該方案的幀速率可以隨著光子事件越來越稀疏而增加，在每幀有1000個光子事件的稀疏度下，最大可以接近150 kf/s的幀速率，同時大幅降低功耗。

高時間分辨率和高幀頻帶來了更高的測繪精度和掃描速度。2011年，MIT林肯實驗室開發(fā)的機載激光雷達成像研究試驗臺（ALIRT），采用128×32 InGaAs單光子雪崩焦平面，在海拔9000 m下對大峽谷（高程差1000~2500 m）進行快速高分辨率廣域地形測繪，掃描速度達到2000 km2/h、分辨率可以達到10 cm級，可以清晰分辨輪廓細節(jié)（圖9）。2017年，MIT林肯實驗室基于256×64 InGaAs單光子雪崩焦平面開發(fā)了機載光學(xué)系統(tǒng)試驗臺（AOSTB），實現(xiàn)了對哈維颶風(fēng)救災(zāi)現(xiàn)場的快速成像，目標(biāo)分辨率精度達到0.25 m。

圖9 美國大峽谷的激光雷達成像圖

超遠距離激光通信

InGaAs單光子雪崩焦平面還可作為自由空間光通信鏈路的接收機，利用脈沖位置調(diào)制（PPM）格式完成發(fā)射信號調(diào)制，接收到的到達時間數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)解調(diào)。相比于經(jīng)典的相干通信系統(tǒng)，其接收機具有捕獲跟蹤通信一體化、體積小、探測靈敏度高的優(yōu)點，在超遠距離激光通信優(yōu)勢明顯，NASA已用于火星激光通信MLCD（約2億公里）、月地激光通信LLCD（約40萬公里）等驗證項目，激光通信系統(tǒng)及接收鏈路如圖10所示。

圖10 激光通信系統(tǒng)及接收鏈路示意圖

2013年，NASA完成了世界上第一個月球軌道與地面的雙向激光通信鏈路，采用基于8×8異步讀出InGaAs單光子雪崩焦平面的小型化激光終端（FLT），最高上行傳輸速率達到622 Mbps。同期，NASA近地應(yīng)用高速激光通信旗艦項目—激光通信中繼演示項目（LCRD），其飛行有效載荷托管在一顆商業(yè)通信衛(wèi)星上，由太空中的兩個激光通信終端組成，同時支持近地激光通信和深空激光通信。

與激光雷達用讀出電路一樣，激光通信用讀出電路同樣需要完成高精度的時間量化功能。然而光通信應(yīng)用中信號光子到達的時間間隔平均比激光雷達脈沖之間的時間短三個數(shù)量級，這就需要更短讀出時間與更大數(shù)據(jù)量，否則會導(dǎo)致光子信號的堵塞現(xiàn)象。

為了解決這一問題，林肯實驗室于2004年報道了基于事件驅(qū)動讀出方法設(shè)計的8×8光子計時異步讀出電路陣列。在每個PPM幀中，像素采用與激光雷達讀出電路相同的方法標(biāo)記光子到達時間。當(dāng)每一行像素需要讀出時，僅將發(fā)生光子事件的像素串入讀出數(shù)據(jù)流。當(dāng)下一個PPM幀開始時，沒有獲取光子事件的像素仍然處于活動狀態(tài)，而上一幀獲取光子事件的像素則進入等待模式以便抑制后脈沖。該芯片采用350 nm CMOS工藝技術(shù)制造并與一個8×8 SPAD陣列混合集成。在美國宇航局火星激光通信演示系統(tǒng)中，在非常高的背景光干擾的情況下，實現(xiàn)了每個光子兩位的數(shù)據(jù)速率。

和激光雷達用讀出電路的情況一樣，激光通信用讀出電路同樣需要擴展到更大的陣列，并抑制功耗的增加。這一需求推動下，國外已經(jīng)開發(fā)出32×32陣列的規(guī)格產(chǎn)品，并繼續(xù)開發(fā)256×256等更大規(guī)格陣列。32×32異步讀出電路體系結(jié)構(gòu)如圖11所示，通過引入像素禁用、感興趣區(qū)域、計時信息與空間位置信息分開等方案與手段，進一步提高的事件驅(qū)動讀出的能效比。

圖11 32×32異步讀出電路體系結(jié)構(gòu)框圖

該設(shè)計方案中，每個像素都包含計時信息與空間位置信息兩種數(shù)據(jù)信息，每一行數(shù)據(jù)讀出時會分為兩個數(shù)據(jù)流。第一個數(shù)據(jù)流是顯示所有光子事件的像素位置圖，第二個是帶有嵌入位置信息的計時數(shù)據(jù)包。該讀出電路還具有像素禁用選項，可以指定任一像素只輸出像素位置圖數(shù)據(jù)，而不輸出時間信息，這些特性可用于在不需要全部像素數(shù)據(jù)時減少功耗與輸出數(shù)據(jù)量。

稀疏光子成像

雪崩焦平面的另一類應(yīng)用是統(tǒng)計到達每個像素上的光子個數(shù)。這些應(yīng)用不需要精確的計時分辨率，而是需要高探測效率和低暗計數(shù)率。傳統(tǒng)的焦平面或圖形傳感器是通過每幀內(nèi)測量一段積分時間的光子個數(shù)來進行強度測量，通過調(diào)節(jié)積分電容大小完成增益調(diào)節(jié)；基于蓋革模式的被動成像也類似，通過對一段固定時間的光子數(shù)進行多次測量完成積分過程，統(tǒng)計疊加生成強度測量數(shù)據(jù)，其可以通過調(diào)節(jié)固定時間大小實現(xiàn)近似增益調(diào)節(jié)。

稀疏光子成像用讀出電路中的每個像素都有一個計數(shù)器代替其他讀出電路中的計時電路，當(dāng)檢測光子事件發(fā)生時，該計數(shù)器會增加計數(shù)。其難點是降低像素面積并提高陣列規(guī)模；降低像素面積一般通過改進計數(shù)器結(jié)構(gòu)與更先進的流片工藝實現(xiàn)；另一個難點是提高動態(tài)范圍，文獻中報道了多種方案包括計數(shù)溢出位、多統(tǒng)計時間數(shù)據(jù)疊加等。

圖12所示為典型的溢出位被動成像讀出電路結(jié)構(gòu)，包括SPAD接口電路、SPAD狀態(tài)寄存電路及7 bit計數(shù)器。接口電路與其他讀出電路類似，包括偏置與檢測電路；狀態(tài)寄存電路存儲每段統(tǒng)計時間的SPAD狀態(tài)信息；計數(shù)器記錄每幀光子事件的達到次數(shù)，計滿后復(fù)位重新開始計數(shù)，溢出位記錄計數(shù)器計滿的狀態(tài)，積分中單獨讀出后復(fù)位；讀出的數(shù)據(jù)通過行列尋址讀出到像素外相應(yīng)像素的存儲位，積分中累加的值作為該像素高位計數(shù)數(shù)據(jù)。在積分結(jié)束時，如果7位計數(shù)器的數(shù)據(jù)對像素外高位數(shù)據(jù)值的貢獻小于暗噪聲，則可以讀出或丟棄7位計數(shù)器中的殘余數(shù)據(jù)。該溢出讀出方案有效地擴展了像素中計數(shù)位數(shù)。

圖12 帶溢出位被動成像讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖

百萬像素InGaAs單光子雪崩焦平面面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及未來展望

激光雷達、遠距離激光通信、稀疏光子成像以及未來新應(yīng)用場景，對更大規(guī)模、更小像素、更高性能，以及更多功能的InGaAs單光子雪崩焦平面提出了要求。為了實現(xiàn)百萬像素級InGaAs單光子雪崩焦平面，需要面對SPAD陣列芯片、讀出電路芯片、封裝互連方式等諸多挑戰(zhàn)，具體包括：

（1）SPAD陣列芯片方面，未來InGaAs單光子雪崩焦平面的陣列規(guī)模會達到1 k × 1 k以上。為了在高密度、小尺寸像元下還能實現(xiàn)高增益、高計數(shù)率、低噪聲、低串?dāng)_，需要研究一些新型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，如納米SPAD結(jié)構(gòu)、集成負(fù)反饋電阻結(jié)構(gòu)（NFAD）、瞬態(tài)載流子勢壘層（TCB）自淬滅結(jié)構(gòu)、集成微諧振腔結(jié)構(gòu)等。為了提高視場角和填充因子，超透鏡、自由曲面透鏡等新型微透鏡類型也在研究中。同時，陣列均勻性也是需要重點關(guān)注的問題。MIT-LL已經(jīng)驗證了6 in（1 in=2.54 cm）InP晶圓工藝在提高SPAD陣列均勻性方面的優(yōu)勢，未來在6 in InP工藝平臺上實現(xiàn)3D集成、高密度封裝變得越來越有吸引力。

（2）受限于SPAD芯片的淺制冷工作環(huán)境和讀出電路本身的特點，讀出電路的設(shè)計受到挑戰(zhàn)主要有三點如下：1）動態(tài)功耗問題，讀出電路存在功耗周期性大幅跳變的特點，導(dǎo)致其動態(tài)功耗遠大于同等規(guī)模的其他大規(guī)模集成電路，功耗大幅跳變會導(dǎo)致電源電壓極度不穩(wěn)定，造成數(shù)據(jù)丟失和損壞等問題；2）深亞微米工藝的偏置電壓問題，標(biāo)準(zhǔn)深亞微米工藝中一般只能提供3.3 V的IO電壓，無法滿足SPAD陣列芯片高探測效率和小像素的應(yīng)用需求；3）總輸出帶寬，讀出電路的最大數(shù)據(jù)量隨著陣列規(guī)模增長線性增長，大陣列高幀頻帶來超大數(shù)據(jù)量讀出必定會帶來功耗、工藝、設(shè)計復(fù)雜度等問題。

（3）面對一些新的探測需求，如可重構(gòu)探測、主被動復(fù)合探測等，InGaAs單光子雪崩焦平面的發(fā)展需要不斷融合創(chuàng)新架構(gòu)、創(chuàng)新算法。目前國際上已經(jīng)出現(xiàn)了多種新型讀出電路架構(gòu)以及針對偏置電壓和像素小型化問題提出了SPAD芯片、模擬電路與數(shù)字電路采用不同工藝三維異質(zhì)集成封裝方案、工藝限制下采用低壓晶體管串聯(lián)疊加實現(xiàn)高偏置電壓像素電路方案等；針對芯片IO高輸出帶寬問題提出了多幀疊加計時直方圖數(shù)據(jù)減薄算法、低誤碼數(shù)據(jù)壓縮算法等；針對多功能需求，提出了多功能復(fù)合讀出電路，一種是局部多功能方案，全局像素功能是統(tǒng)計光子個數(shù)，局部選擇區(qū)域像素實現(xiàn)光子計時或異步光子計時。另一種是不同功能對應(yīng)不同分辨率，全分辨率像素功能是統(tǒng)計光子個數(shù)，相鄰像素合并大像素后實現(xiàn)光子計時功能。

結(jié)論

作為一種高靈敏度、高時間分辨率的探測器，InGaAs單光子雪崩焦平面在激光三維成像、遠距離激光通信、稀疏光子探測等領(lǐng)域已成功應(yīng)用。InGaAs單光子雪崩焦平面采用半導(dǎo)體工藝，在陣列擴展、功能擴展方面有明顯優(yōu)勢。文中從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯片工藝、電路設(shè)計等方面對InGaAs單光子雪崩焦平面進行了分析介紹，并對未來百萬像素級焦平面技術(shù)發(fā)展進行了展望。

審核編輯：劉清