單光子雪崩二極管（SPAD）的關(guān)鍵特征是能夠探測單個光子并提供數(shù)字信號輸出。雪崩倍增過程產(chǎn)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(shù)制備的SPAD可以探測近紅外（NIR）信號，這是如激光雷達(dá)（LiDAR）、飛行時間（ToF）成像和NIR光學(xué)斷層掃描等諸多應(yīng)用的關(guān)鍵要求。這些應(yīng)用需要特定的性能特征，例如高光子探測概率（PDP）。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）的科研團隊在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics期刊上發(fā)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(qū)（DAR）SPAD，該SPAD通過摻雜優(yōu)化擴展了雪崩倍增區(qū)。雙雪崩區(qū)SPAD采用40 nm CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)制備，這是迄今為止所報道的最先進的CMOS SPAD技術(shù)。隨后，研究人員對雙雪崩區(qū)SPAD的全部性能進行了清晰的表征和分析，并對傳統(tǒng)的SPAD與雙雪崩區(qū)SPAD的電學(xué)和光學(xué)特性進行了比較，證明了優(yōu)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(dǎo)（backside trench guide）等技術(shù)。然而，實現(xiàn)額外結(jié)構(gòu)需要專門的設(shè)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(jié)構(gòu)下優(yōu)化摻雜濃度，以擴展直接影響PDP的雪崩倍增區(qū)和載流子收集區(qū)。

圖1 （a）未經(jīng)保護環(huán)（GR）摻雜優(yōu)化的傳統(tǒng)SPAD（b）經(jīng)過GR摻雜優(yōu)化的雙雪崩區(qū)SPAD

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

圖2 雙雪崩區(qū)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(jié)果如圖3所示，顯示了兩種SPAD的雪崩倍增區(qū)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(tǒng)PW GR的SPAD；（b）采用摻雜優(yōu)化PW GR的SPAD

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

圖4 兩種SPAD的I-V特性結(jié)果

圖5 兩種SPAD在不同偏置電壓下的光發(fā)射測試（LET）結(jié)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(shù)制備SPAD的優(yōu)化方案。SPAD采用重?fù)诫sP型（P+）和倒摻雜DNW結(jié)設(shè)計和制備。用于擴展雪崩倍增區(qū)的摻雜優(yōu)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(jié)的邊緣防止過早邊緣擊穿（PEB）。通過將電學(xué)和光學(xué)實驗結(jié)果與傳統(tǒng)SPAD進行比較，研究人員證明了GR優(yōu)化的有效性。所提出的雙雪崩區(qū)SPAD在700 nm處達(dá)到了約89%的峰值PDP，在940 nm處達(dá)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