简介

单光子雪崩二极管（SPAD）凭借其在近红外领域的高灵敏度和高速度，已成为飞行时间测量、面部识别和遥测等应用中不可或缺的光电探测器。光子探测概率（PDP）是 SPAD 器件的关键性能指标之一，它代表了 SPAD 的灵敏度，被定义为被吸收的入射光子产生雪崩事件的概率。

在本文中将探讨创新方法，以提高集成到全贫化硅绝缘体（FD-SOI）CMOS 技术中的 SPAD 的 PDP。通过对光敏区上方的浅沟槽隔离（STI）层进行纳米结构处理，可以产生建设性干扰，从而提高正面照明的光灵敏度。

SPAD FD-SOI 结构和建设性干扰

SPAD FD-SOI 在埋入式氧化物（BOX）层下面实现，而电子逻辑电路则插入到 BOX 层上面的薄硅层中，从而为背面照明（BSI）提供了一个固有的三维堆栈和更高的填充因子。然而，对于正面照明（FSI）而言，BEOL 层的存在会对透光率产生不利影响。

为了改善 FSI 的 PDP，可以利用 SPAD 单元中因技术设计规则而存在的 STI 沟槽。通过优化 STI 层布局（尺寸和周期），我们创建了一个光子晶体层（衍射光栅），它能产生建设性干扰效应，并在雪崩触发概率最高的空间电荷区（SCR）产生最大干扰。图 1 展示了 SPAD FD-SOI 的横截面示意图和 STI 图案化的建设性干涉概念。

图 1. 单个 SPAD FD-SOI 的截面示意图。STI 纳米结构优化

优化过程包括两个步骤：找到 STI 图案的最佳填充因子 （FF），以最大限度地提高透光率；提取最佳空间周期，以实现 SCR 中的建设性干涉。

第一步，模拟特定波长下的各种 FF 值，以确定与参考结构相比，图案化 STI 的抗反射效果。图 2 显示了电场幅度和光生成率的曲线，表明图案化 STI 具有显著的抗反射效果。

图 2 比较了无图案参考 SPAD 和填充因子 （FF） 为 0.15、周期为 10 纳米的图案 SPAD，显示了 FF 为 0.15、周期为 0.48 微米时的电场幅值剖面图（左）、光发电率剖面图（中）和光发电率制图（右）。第二步的重点是优化图案周期，以定位 SCR 中的最大干扰。我们进行了无数次模拟，改变每个 FF 值的图案周期。图 2 展示了周期图案的光生成率，清楚地显示了图案的衍射效应和 SCR 中热点的存在。

这些模拟随后扩展到更大的波长范围（400-1000 nm），以研究可见光到近红外线的改善情况。图 3 显示了不同过剩电压下的 PDP 曲线，显示出在较短和较长的波长下，PDP 有明显的相对改善，在特定波长下的相对增益可能达到 700%，而在所考虑的波长范围内，平均相对增益超过 100%。

图 3 显示了参考和图案化 SPAD 在 0.6 V（左）和 1.5 V（右）过剩电压下的光子探测概率 （PDP）。测试芯片展示

测试电路采用 28 纳米 CMOS FD-SOI 技术设计和制造，包含多种 SPAD 变体（参考、带有各种 FF 的 STI 图案化等）以及用于主动淬火和充电的相关电子器件。图 4 显示了测试芯片的布局视图和一个 SPAD 单元布局示例，其插图缩放显示了光敏区上方的 STI 图案。

图 4 显示了测试芯片的布局： （a） 不带后端线 （BEOL） 层的整体布局视图；（b） SPAD 单元的详细视图，显示光敏区上方的 STI 图案。

图 5 展示了 SPAD 电子元件：（a） 带有外部 FPGA 的电路原理图，用于主动淬火、充电和死区时间控制；（b） 模拟和数字信号波形，淬火时间为 65 ns。实验结果与讨论

暗计数率（DCR）实验结果：

对参考和图案化 SPAD 的 DCR 进行了测量，DCR 代表 SPAD 的噪声水平。图 6 显示了测得的 DCR 与过剩电压和温度的函数关系，揭示了图案化 SPAD 的 DCR 随着过剩电压的增加而增加，这是由于后脉冲失控造成的。

图 6 显示：（a） VHV0 与温度的函数关系；（b） 参考和图案化 SPAD 在 20°C 不同过剩电压下的暗计数率 （DCR）。图 7 显示了 （a） 参考 SPAD、（b） FF = 15% 的图案化 SPAD 和 （c） FF = 25% 的图案化 SPAD 的 DCR 测量结果的 Arrhenius 图。光子探测效率 （PDP） 实验结果：

图 8 和图 9 证实了 STI 图案化与参考 SPAD 相比的优势。表 1 总结了峰值灵敏度时的 PDP 相对增益，以及不同过剩电压和与 STI 图形相关的 FF 时光谱上的平均 PDP 相对增益。

图 8 显示了在 Vex = 0.4 V （a） 和 0.5 V （b） 条件下，参考准圆形 SPAD 和具有 STI 沟槽图案（FF = 15%）的类似形状 SPAD 的 PDP 测量结果。

图 9 显示了在 Vex 值为 0.5 V（a）、0.6 V（b）和 0.7 V（c）时，参考准圆形 SPAD 和具有 STI 沟槽图案（FF = 25%）的 SPAD 的 PDP 测量值。表 1 总结了各种过剩电压和填充因子下的实验 PDP 相对增益。 

讨论

图案化结构的 PDP 实验性提高证实了通过 STI 纳米结构实现的建设性干扰的好处。然而，测量的 PDP 改进值大于模拟值，这可能是由于在模拟中考虑了正常入射、在量化 SCR 外部光生载流子时采用了近似值，以及后脉冲对高估 PDP 增益的潜在贡献等因素造成的。

尽管 PDP 有了明显改善，但其绝对值仍然低于最先进的 SPAD，这是因为采用的是标准 CMOS 工艺，没有防反射涂层或微透镜等光子专用功能。不过，如果采用针对光子应用进行优化的工艺，STI 纳米结构方法将更加有效。

结论

在本文中探索了创新方法，用于提高集成到全贫化硅绝缘体（FD-SOI）CMOS 技术中的单光子雪崩二极管（SPAD）的光子探测概率（PDP）。通过对光敏区上方的浅沟槽隔离（STI）层进行纳米结构处理，我们产生了建设性干扰，提高了正面照明的光灵敏度，同时保持了等效的暗计数率（DCR）。

通过模拟和实验结果，证明了这种方法在 PDP 方面实现显著相对增益的潜力，尤其是在较短和较长的波长上。虽然 PDP 绝对值仍然受到使用标准 CMOS 工艺的限制，但 STI 纳米结构技术与光子学专用工艺相结合，有望进一步提高性能。

这项研究推进了开发灵敏度更高的高性能 SPAD 阵列，该阵列可广泛应用于飞行时间测量、面部识别、遥测以及科学和医学成像等领域。