作者：Pi Imaging Technology首席执行官Michel Antolovic
编译：麦姆斯咨询
随着SPAD探测器的性能和成熟度不断提升，其在从天文学、生命科学到手机、汽车等应用中的价值和影响也越来越大。
SPAD阵列（来源：Pi Imaging Technology）
顾名思义，单光子雪崩二极管（SPAD）可以探测单个光子，其探测的时间精度为皮秒（ps）。单像素SPAD已经广泛应用于天文学、流式细胞术、荧光寿命成像显微镜（FLIM）、粒度测定、量子计算、量子密钥分配和单分子检测。然而，在过去十年中，SPAD技术通过使用CMOS技术而得到了快速发展。这为SPAD阵列和图像传感器架构铺平了道路，能够以小型化和可扩展的方式增加SPAD像素的数量。
512 × 512像素SPAD图像传感器（来源：Pi Imaging Technology）
与单像素SPAD相比，SPAD阵列提供了更好的空间分辨率和信噪比（SNR）。例如，在共聚焦显微镜应用中，SPAD阵列中的每个像素都充当具有良好横向和轴向分辨率的虚拟小针孔，而多个像素收集虚拟大针孔的信号。
然而，早期使用CMOS技术制造的SPAD阵列表现出低灵敏度和高噪声。由于每个SPAD像素都需要保护环和像素集成电路，因此基于SPAD探测器的阵列也存在填充因子低的问题。
最近，定制的制造工艺、改进的设计和优化的微光学元件使得当前的SPAD阵列能够克服上述限制，并达到与单像素SPAD器件相当的灵敏度和噪声水平。
因此，SPAD阵列和图像传感器正在兴起，以彻底改变共聚焦显微镜及其它需要通过采用光子计数探测器提高空间和时间分辨率的领域。
为何使用SPAD？
虽然传统的光电探测器、光电二极管和许多雪崩光电二极管可能会提供更高的灵敏度（通过量子效率进行量化），但是SPAD擅长读取弱光信号，以高信噪比进行量化，如下图所示。
灵敏度为50%的SPAD与灵敏度为80%的典型光电二极管之间的信噪比（SNR）比较，两者的等效读出噪声均为10 e−（仅代表高速读出模式）。（来源：Pi Imaging Technology）
适合使用SPAD的应用领域
弱光信号通常来自例如小粒子、低透射率或快速成像等应用。除了在检测弱光信号时表现出高信噪比之外，SPAD在测量事件的时间时特别精确（<150 ps），这是其强大的电荷倍增增益的直接结果。SPAD的这些特性使其成为上表总结的应用领域中吸引人的探测器。
早期在定制的制造工艺中作为单点探测器生产的SPAD扩展性很差。2003年，研究人员开始使用标准CMOS技术来构建SPAD阵列。这种设计和生产平台的变化为可靠地生产高像素数SPAD阵列探测器以及发明和集成用于淬火和充电、时间标记和光子计数功能的新像素电路提供了可能性。这些探测器中的数据处理功能从简单的SPAD脉冲输出到全数字信号处理。
灵敏度为80%的典型光电二极管成像（上图）与灵敏度为50%的SPAD成像（下图）之间信噪比（SNR）差异演示，均在10个撞击光子的平均值。（来源：Pi Imaging Technology）
在随后的十年中，SPAD阵列主要吸引研究资金来充分利用其出色的时序精度。这导致了大量的阵列架构和最终用例的产生。这一趋势产生的最突出的应用之一是在汽车激光雷达（LiDAR）中使用SPAD阵列，同时该技术也被应用于智能手机之中——SPAD既可用于AR激光雷达扫描仪，也可用于接近传感以实现模式切换。
SPAD的研究工作还侧重于该技术在生物医学应用中的发展潜力，例如拉曼光谱检测、荧光寿命成像和正电子发射断层扫描（PET）。这些领域的研究人员提出了非常先进的架构，旨在通过时间门控改进拉曼光谱检测，利用像素并行化来避免荧光寿命成像中的堆积效应，通过利用SPAD时间分辨率来提高正电子发射断层扫描的空间分辨率。然而，SPAD早期存在较低的灵敏度、较高的噪声和较长的创新周期，这些不利因素阻碍了其在上述应用中的早期采用。
然而，在过去十年中取得的技术进步已将SPAD阵列的灵敏度从30%的峰值灵敏度提高到超过50%的峰值灵敏度，并将暗噪声从典型的100 cps/µm²降低到小于1 cps/µm²。
CMOS SPAD面临的挑战
许多早期的CMOS SPAD设计使用0.35 µm制造工艺，其中使用标准层来创建SPAD感光结。因此，当施加高电场（~0.5 MV/cm）以使器件能够在雪崩模式下工作时，这些感光结的性能不是最佳的。在大多数情况下，表面和硅杂质以及不可控制的横向电场也会增加探测器噪声。灵敏度也不是最优的，因为开发人员通常制造具有高掺杂的浅层以实现高电场。浅结导致较低的探测效率，具有典型的蓝移灵敏度峰值。
随着更先进的半导体工艺的发展，SPAD阵列研发人员开始使用180 nm、110 nm、65 nm和40 nm工艺节点来改进其SPAD阵列的功能并构建更先进的架构。然而，在许多情况下，在较小的半导体工艺节点中应用较高的掺杂，有时是较浅的层也会导致较差的SPAD性能。
此外，SPAD需要一个宽度为1 µm到2 µm的横向保护环，并且比传统的探测器需要更多的处理电路。由于SAPD阵列的几何填充因子较低，因此探测器的灵敏度进一步降低。
由于上述原因，大幅提高SPAD阵列的像素分辨率曾经并且现在仍然具有挑战性。SPAD比传统光电二极管的像素大，因为它们需要有必要的保护环。并且，SPAD由于信号幅度更大而造成功耗更大。如果在事件计时模式下使用，SPAD阵列会生成更多的数据。
然而，SPAD阵列研发人员和CMOS晶圆厂之间的密切合作，通过在半导体工艺流程中添加SPAD特定层、SPAD保护环的设计创新以及微透镜实现的增强填充因子，帮助SPAD阵列克服了灵敏度和噪声挑战等问题。
通过开发基于光子选择的新型架构并尽可能靠近SPAD像素，使得SPAD功率要求和数据速率也降低了。示例包括应用于SPAD图像传感器的时间门控技术、通过时间相关性过滤时间标记事件以及通过非线性诱导光子计数压缩。
上述协同效应最终导致了大面阵SPAD图像传感器的诞生与发展，例如在本文开头展示的SPAD图像传感器包含512 x 512像素，以及更多的像素数。
各种应用中的SPAD阵列
时间分辨共聚焦显微镜是一种强大的工具，并已成为生命科学研究中的成熟仪器。例如，它可以量化分子动力学、感知细胞环境以及研究蛋白质相互作用。共聚焦显微镜能够提供出色的空间分辨率，同时通过合理地控制激发功率将光毒性降至最低。然而，共聚焦显微镜在信号强度和分辨率之间存在基本的权衡：较小的针孔虽然可确保共焦性，从而提高分辨率和切片性能，但代价是信号强度较低。
当SPAD阵列应用于图像扫描显微镜（ISM）时，消除了上述权衡并提高了空间分辨率和信号强度。图像扫描显微镜通过用SPAD像素阵列代替传统的单点探测器来从不同角度记录多幅图像，从而提高了共聚焦显微镜的空间分辨率。SPAD阵列的每个像素都充当具有良好横向和轴向分辨率的虚拟小针孔，而多个像素收集虚拟大针孔的信号。结果是通过采用一种称为像素重新分配的数学方法获得分辨率提升的最终图像。
具有23个像素的SPAD阵列芯片（上图）和用于图像扫描显微镜的系统实现（下图）（来源：Pi Imaging Technology）
荧光寿命成像显微镜是共聚焦显微镜中的一种强大类型。它通常用于动态活细胞成像，以及通过与Förster共振能量转移（FRET）相结合来研究蛋白质相互作用。荧光寿命成像显微镜还在材料科学中获得了更广泛的应用——用于研究半导体特性或过程，例如电荷载流子扩散。
利用单光子计数共聚焦显微镜获得的小鼠胚胎组织的荧光寿命成像（来源：PicoQuant）
许多物质——包括有机荧光团、荧光蛋白和纳米颗粒（例如量子点和纳米金刚石）——都会在吸收光子之后在荧光过程中发射光子。每种发射物质都有一个特征荧光寿命，表明它在返回基态之前保持在电子激发态的时间。
荧光寿命成像显微镜根据激发态衰减率的差异生成图像，从而实现一种显微成像技术，其中对比度基于单个荧光团的寿命而不是其发射光谱。荧光寿命成像显微镜的图像由2D像素网格组成，将样本分成大小相同的像素区域。对于每个像素，荧光寿命是通过时间相关的单光子计数（TCSPC）技术来实现统计。该技术多次重复利用脉冲激光逐像素扫描样本，再使用相应的单像素探测器（例如SPAD）收集发射光子的到达时间。每个像素的光子到达时间被分类成一个直方图，可以通过各种数学方法从中获取荧光寿命。
荧光寿命成像显微镜受益于SPAD阵列的使用，通过像素并行化提高可持续计数率，从而实现更快的成像速度。具有时间门控功能的SPAD图像传感器可以进一步将荧光寿命成像显微镜的实施扩展到非共焦显微模式，从而实现更广泛的潜在应用，例如包括基因组学、蛋白质组学和其它“组学”领域在内的各种生物学科中的空间多路复用应用。
SPAD阵列技术增强性能的另一项应用是高速成像。传统的图像传感器通常会受到低信噪比的影响，因为成像过程中的积分时间越短，光子收集越少并且像素越模糊，而读出速度越快，则获得的图像中的噪声就越大。但是，SPAD图像传感器完全消除了这种噪声，可提供高信噪比。
SPAD阵列发展潜力巨大
由于近些年CMOS SPAD技术的巨大发展，更先进的SPAD阵列和图像传感器正在出现，不仅彻底改变了共聚焦显微镜，而且还改变了其它需要光子计数探测器提高空间和时间分辨率的应用领域。
SPAD阵列为共聚焦显微镜提供了一个激动人心的升级机会，因为其可能会提高所有关键性能参数，包括信噪比、采集速度、激发强度阈值以及空间和时间分辨率——所有这些都几乎不会增加系统的复杂性。
与此同时，SPAD阵列正在激发新的机遇——扩展荧光寿命成像显微镜的成像模式，可用于药物开发、医学诊断和手术辅助等领域；与VCSEL搭配使用以赋能激光雷达，可用于智能手机增强现实（AR）、汽车自动驾驶等领域。此外，SPAD图像传感器具有丰富高端图像传感器功能的发展潜力，前途无量！
