Sony | 单光子雪崩二极管(SPAD)技术的进展

逍遥设计自动化

引言
1 E) s& S. H8 s3 y% M$ U单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）在现代成像系统中发挥着关键作用，特别是在飞行时间（Time-of-Flight, ToF）传感器和光子计数应用中。这种特殊的光电探测器具有极高的灵敏度，能够探测单个光子，同时提供亚纳秒级的精确计时信息。本文探讨SPAD技术的突破，通过集成双层晶体管像素技术来实现性能提升[1]。
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SPAD像素架构的演进过程如图1所示。
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图1展示了SPAD像素架构从基础背照式设计到先进双层晶体管实现的发展过程，显示了每次迭代如何提升像素填充因子和线路集成度。
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技术创新与设计实现
! [) ?, P0 Z4 j/ ]" `( [9 u% h双层晶体管像素技术的开发代表了SPAD传感器设计的重大进展。这种创新方法解决了传统SPAD架构中的多个主要挑战，特别是阴极电容和线路面积利用率的问题。该技术使像素前端（PFE）线路直接集成在SPAD结构之上，采用新型双层方法，优化了空间效率和电气性能。

图2和图3详细展示了制造工艺和实际实现。

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图2：展示带有双层晶体管像素技术的SPAD制造工艺流程图
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图3：开发的5微米间距SPAD的横截面TEM图像

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2 A( Z! K9 G  f* L3 B8 a* p2 _性能特征与测量
( P* }3 _' p$ r) s. f, }; D" ~$ T双层晶体管像素技术的实现带来了显著的性能提升。该器件实现了仅2.1纳秒的死区时间，相比传统设计有明显改善。死区时间的减少对需要高速光子探测和精确计时测量的应用尤为重要。

主要性能指标展示参见图4和图5。

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& r/ s6 @5 J. R# f图4：暗计数率（DCR）的温度依赖性图表
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7 P) X1 m  e1 \  f' i* B! f$ S图5：800-1000纳米波长范围的光子探测效率（PDE）测量图

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0 E# B( G2 F6 @. G, i( r* B# s晶体管特性与线路集成
第二层晶体管的成功实现需要对制造工艺进行精细优化。设计团队在保持NMOS和PMOS器件优异性能特性的同时实现了这一目标。这些晶体管展现出对可靠SPAD运行必需的稳健性能指标。
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) \" Z- C1 g( H2 ]3 L晶体管特性如图6和图7所示。

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  ]0 K5 [. G( g1 H1 `! U0 e7 R图6：开发的晶体管的Ion和Ioff特性图

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" e& ^, c; s2 |5 ^图7：在不同条件下Ioff和Ion差异测量的图表

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6 s5 G% z4 E6 V2 f' S. ], }- a5 B系统实现与实际结果
该技术的实际实现在整体系统性能方面取得了显著提升。降低的阴极电容和优化的线路设计实现了增强的功能，同时保持了优异的光学性能特性。
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  @5 _, w9 K, |2 f7 h; h图8、图9和图10，展示了系统实现细节。
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图8：有无双层技术的像素线路比较图
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0 a; r+ `: G* t  `* s; K图9：SPAD电流比率测量图

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9 ^* W1 r  ?" H1 W" T) K5 b8 R# I图10：死区时间比较图

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5 {# j/ T. }$ J% i; N# v实际性能与应用
/ `; l4 G8 [1 W) L1 h* z" @8 P& f通过全面测试和实际成像场景验证了该技术的实际应用。该器件在光子计数和飞行时间应用中都表现出优异的性能，保持了高精度和可靠性。
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实际结果最终如图11和图12所示。

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' _  ~8 d5 z/ F! ~图11：随着光功率增加的PDE衰减图
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! ?, @: u4 A/ @& ]% J) m* L' ~图12：显示强度和深度映射的实际捕获图像
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8 \( G5 p" B9 m+ G2 P结论
双层晶体管像素技术的开发在SPAD传感器设计领域实现了重要进展。这项创新成功解决了传统SPAD架构中的几个关键挑战，尤其是死区时间减少和线路集成方面。实现的性能指标，包括2.1纳秒的死区时间和优异的光子探测效率，使这项技术在未来高性能成像应用中具有良好应用价值。该技术的应用范围将逐步扩展到科学仪器和消费电子等多个领域。

) ~. d- U; L. _" L2 n4 V参考文献
[1] J. Ogi, S. Kitamura, F. Sugaya, J. Suzuki, A. Magori, T. Matsui, K. Sumita, Y. Ushiku, K. Moriyama, K. Toshima, T. Namise, H. Ozawa, Y. Tsukuda, Y. Otake, H. Hiyama, S. Matsumoto, A. Suzuki and F. Koga, "A 2.1-ns Dead Time 5-μm Single Photon Avalanche Diode with 2-layer Transistor Pixel Technology," International Electron Devices Meeting (IEDM), 2024.
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