基于单光子雪崩二极管（SPAD）的光子直接飞行时间（dTOF）探测器通过测量发射光与反射光之间的时间间隔来计算所探测的距离，具有体积小、功耗低和分辨率高等优点，已被广泛应用于自动驾驶、人脸识别、AR/VR以及3D成像等新兴应用领域。dTOF探测器通常采用片内的时间数字转换器（TDC）来精确测量光子飞行时间，相比于间接飞行时间（iTOF）测量技术，具有更高的抗干扰能力和更宽的动态范围。目前dTOF探测器正朝着与硅基工艺相兼容的低成本和高集成度方向快速发展，然而还存在人眼安全阈值低、时间分辨率和动态范围相制约等问题。
据麦姆斯咨询报道，南京邮电大学集成电路科学与工程学院、射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室和核探测与核电子学国家重点实验室的联合科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“一种硅基高灵敏度近红外单光子dTOF探测器”为主题的文章。该文章第一作者为王帅康，通讯作者为徐跃。
本文基于0.18 μm BCD工艺研究并实现了一种近红外高灵敏度dTOF探测器。
所提出的近红外SPAD器件的截面图如图2所示。该器件利用BCD工艺提供的高压p阱（HVPW）和高压n+埋层（HVBN）之间形成的深结耗尽层作为雪崩倍增区，有效提高对近红外光子的探测概率。同时在HVPW里进行浅结的重掺杂P+注入，并在p+表面外侧形成环形的阳极，且在p+区表面中间不做金属硅化物淀积，形成透光的窗口。高压n阱（HVNW）作为n+埋层的引出区域，在其表面进行浅结的重掺杂n+注入，并在n+区表面形成环形的阴极。在器件阴极n+接触孔和阳极p+接触孔之间还有浅沟槽隔离（STI），防止器件电极之间发生击穿。特别是在雪崩倍增区外侧有低掺杂的p 型外延层（P-epi）作为器件的虚拟保护环，不但能避免器件表面被过早击穿，而且能有效降低保护环区域的电场，减小STI周围缺陷引起的暗计数噪声影响。
SPAD器件对光子的吸收主要发生在雪崩倍增区和高压p阱区，由于雪崩倍增区被完全耗尽且深埋于衬底，因此能获得比高压p阱区更高的近红外光生载流子量子效率。高压p阱区和雪崩倍增区吸收光子后产生的电子-空穴对在反向电场作用下分别向n+埋层和p+阳极方向漂移。对于近红外短波光子，由于能量较低而容易穿过高压p阱中性吸收区进入雪崩倍增区被吸收。靠近高压p阱一侧的雪崩倍增区由于掺杂浓度远低于n+埋层一侧的雪崩倍增区，其耗尽区更宽，是产生光生载流子的主要区域。由于雪崩倍增区存在强电场，雪崩倍增区内产生的光生电子和高压p阱区扩散过来的光生电子会在强电场作用下发生雪崩倍增效应，使阳极电流在短时间内迅速增加，实现单光子的探测。由于靠近高压p阱一侧的雪崩倍增区的光生电子在反向电场作用下最终进入倍增区中心，从而使发生雪崩倍增的路径更长、雪崩电场更强，可获得更高的雪崩倍增因子，相比与主要依靠空穴碰撞电离的器件有更高的雪崩触发概率，能显著增强器件对近红外光子的探测灵敏度。
图1 SPAD截面图
TCAD仿真分析
基于0.18 μm BCD工艺对所提出的SPAD器件使用SILVACO Atlas工具进行了盖革模式下的二维器件仿真。仿真采用了Shock-Read-Hall载流子产生-复合、Conmob和Fldmob迁移率、Selberherr碰撞电离和Geiger等物理模型以获得接近实际的器件电学特性。为了能使所设计的SPAD器件既满足小尺寸要求又保证不发生边缘击穿，需要优化最佳保护环间距。图2（a）显示了仿真得到的四种不同保护环间距的器件I-V特性曲线。可以看出，保护环间距为GRW=0.5 μm和GRW=1.5 μm器件的雪崩击穿电压分别为19 V和31.7 V，而保护环间距为GRW=2.5 μm与3.5 μm器件的雪崩击穿电压均为42 V，这说明当间距过小时，会在保护环边缘区域提前发生雪崩击穿，从而使SPAD器件不能正常工作。综合考虑器件尺寸及性能，本文选用2.5 μm的保护环间距。图2（b）为GRW=2.5 μm器件在过偏压为3 V下的二维电场分布情况。可以看到器件雪崩区中心距表面深度约为4 μm，雪崩区宽度约为1 μm，电场分布均匀、集中，电场强度峰值达到3.75×10⁵ V/cm，从而保证了对近红外光子有更高的探测概率。由于虚拟保护环区域掺杂浓度低，电场强度明显小于雪崩区中心电场，能够有效防止器件边缘过早击穿，同时避免STI界面缺陷产生的载流子被强电场驱入雪崩倍增区而引发严重的暗计数噪声。
图2 TCAD仿真：（a）I-V特性曲线；（b）二维电场分布
单光子dTOF探测器读出电路结构如图3所示，主要由模拟前端（AFE）、或逻辑树（ORtree）、TDC电路以及并串转换电路（PISO）组成。为了提高单光子探测效率，由16个SPAD器件构成一个探测器阵列来增加有效的感光面积，每个SPAD都接1个由淬灭和脉冲整形电路构成的模拟前端进行雪崩淬灭和脉宽压缩。dTOF探测器的工作原理如下：SPAD器件工作在盖革模式下，激光发射后被目标物反射回的光子被SPAD探测到立即产生雪崩电流。
图3 单光子dTOF探测器电路结构图
TDC电路
为了实现高分辨率和宽动态范围的TOF值测量，本文提出了一种由粗计数器（CoarseCounter）、精计数器（Fine Counter）、插值器（Interpolator）以及锁相环PLL 构成的具有内置时钟的三步式混合结构TDC，如图4所示。考虑到参考时钟频率会影响系统的分辨率和动态范围，当分辨率达到皮秒水平时，时钟的抖动会直接影响测量的精度和线性度，为此本文采用基于压控振荡器（VCO）的三阶II型锁相环为系统提供稳定的时钟。其中，VCO采用伪差分延时单元（Delay）结构来抑制电源及衬底共模噪声的影响，并在传统伪差分延时单元的基础上增加MP5和MP6管，其栅压由外部偏置Vb进行控制，不仅能够拓宽VCO的频率调谐范围，而且有利于降低控制电压Vc波动造成的时钟抖动。此外，在每级延时单元的输出端接入缓冲BUF电路提高时钟驱动能力，可以得到具有低抖动、低相位噪声和占空比接近50%的四通道高频分相时钟（P1、P2、P3、P4）。
TDC的分辨率由分相时钟的频率和插值器决定，插值器包含对Start和Stop信号上升沿分别采样的两个模块，每个模块都由四个基本的插值单元（Unit）组成，插值单元内部采用由传输门（TG）、D触发器（DFF）和延时线（Delay line）构成的相位插值结构，通过Start/Stop信号控制传输门的栅极实现对相位状态的锁存，并且Start/Stop信号经过短暂延时后控制DFF对传输门的数据进行再次锁存，避免了噪声引起的DFF状态翻转。在30MHz输入时钟驱动下，VCO可输出960 MHz的四通道高频分相时钟。分相时钟P1~P4将时钟周期分成8个时间间隔实现130 ps的时间分辨率，其中每个时间间隔对应一个相位状态，当Start或Stop信号到来时，插值器可以直接锁存其上升沿所处的相位状态。而TDC的动态范围取决于粗计数器量程，粗计数器采用反馈移存型同步计数器，在参考时钟周期不变的情况下可以通过增加计数器位数提高满量程范围。但同步计数器位数的增加会导致时钟驱动能力的不足，因此增加了由异步计数器构成的精计数器。精计数器在对分相时钟进行计数的同时完成对高频时钟的分频，利用带负载能力更强的低频时钟可以驱动更多位数的粗计数，并且采用同步加异步的计数方式相较于单一结构的异步计数器能获得更快的响应速度。如图4所示，设计的2 bit精计数器可对960 MHz时钟信号（P1）进行四分频处理产生驱动能力更强的240 MHz的低频时钟CP用于驱动6 bit粗计数器。TDC共输出16 bit数据，包含6 bit粗计数D[15:10]、2 bit精计数D[9:8]、4 bit Stop相位状态D[7:4]以及4 bit Start相位状态D[3:0]。TDC电路具体的量化过程如图5所示。
图4 TDC读出电路结构
图5 TDC电路量化原理
提出的近红外dTOF探测器基于0.18 μm工艺实现流片，芯片的显微照片如图6（a）所示。为保证芯片正常稳定工作，在核心电路及器件周围加入大量滤波电容CAP稳压、降噪，并添加ESD保护电路防止静电效应的影响。芯片包含16个SPAD和模拟前端电路以及TDC，整体尺寸为1.2 × 0.84 mm²。为了评估探测器芯片的电学和光学特性，搭建了如图6（b）所示的测试平台，主要针对器件的雪崩击穿电压、PDP、DCR和后脉冲概率（AP）以及读出电路的分辨率和光子飞行时间测量精度进行了测试。
图6 芯片及测试环境：（a）芯片显微照片；（b）测试平台
SPAD器件测试
使用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪测量得到的SPAD反向I-V特性如图7所示。在无光条件下，SPAD反向饱和电流即暗电流仅有3.7×10⁻¹¹ A，而在有光条件下，由于光生载流子的产生，器件反向饱和电流比无光时明显高出一个数量级。在有光和无光条件下SPAD器件的雪崩击穿电压都在42.5 V左右，而有光时器件雪崩电流随偏压上升的更加陡峭，测试结果与仿真结果显示出很好的一致性。
图7 I-V直流特性曲线
SPAD器件的DCR和AP的测试均在无光环境下通过FPGA统计SPAD输出的雪崩脉冲个数得到。其中，DCR由多次1秒内计数得到的雪崩脉冲的平均数确定，而大多数后脉冲事件出现在雪崩发生后的最初几微秒内，其概率可以通过记录数百万次雪崩脉冲的时间间隔形成的直方图统计获得。器件的暗计数噪声主要由非平衡载流子热产生-复合、缺陷辅助隧穿和带-带隧穿三种机制产生，带-带隧穿仅在5 V以上的高过偏压下才会发生，而热产生-复合和缺陷辅助隧穿机制分别与温度和过偏压呈正相关。图8（a）显示了器件在不同温度及过偏压下的DCR变化曲线，可以看出，随着过偏压的升高，器件的DCR没有发生明显的退化，表明隧穿效应对暗计数的贡献较小。在给定的过偏压下，当温度由24oC升至70oC时，DCR显著增大说明该器件的主要暗计数噪声来源是与温度相关的热产生-复合机制。从整体上看，该器件在温度低于70 oC时，DCR整体低于1.3 KHz，并且在5 V高的过偏压下，24 oC室温时DCR小于200 Hz，表现出较低的暗计数水平。后脉冲事件与器件自身固有的深能级缺陷有关，由于本文提出结构采用较深的雪崩区，雪崩区附近的缺陷密度低，同时其受到表面高浓度界面态的影响非常小，后脉冲事件发生的概率相对较小。图8（b）显示了室温下SPAD后脉冲概率随过偏压的变化关系，在5 V过偏压下仅有0.92%。从DCR和AP的测试结果可以看出该器件具有优异的噪声性能。
图8 （a）不同温度下DCR随过偏压的变化；（b）室温下后脉冲概率随过偏压的变化
为了测量SPAD器件的PDP，将波长范围为405 ~ 940 nm的激光通过光纤传送到积分球（Integrating sphere），积分球会将光均匀散射到器件表面和光功率计的探头。并且光功率计可以校准总入射光功率为nW级，从而保证SPAD器件工作在单光子状态，以免入射光子过多发生堆叠效应。
PDP测量结果如图9所示，在过偏压大于2 V时，PDP在450 ~ 780 nm波长范围内均大于15%，在5 V过偏压下，器件在600 nm处的PDP峰值达到了43.3%。此外，由于具有深结的雪崩倍增区，器件对780 ~ 940 nm的近红外光子的响应灵敏度也得到显著增强，PDP在905 nm处依然能够大于7.6%。测试结果验证了该SPAD具有宽光谱响应范围，可以工作在人眼阈值较高的近红外短波波段。
图9 PDP对光子波长响应曲线
图10将所设计SPAD器件的近红外PDP和DCR的性能与报道的先进成果进行了对比。可以看到，除背照式器件外，对于传统光子正面入射的器件在905 nm处的PDP通常小于6%。而本文所设计的器件在905 nm处的PDP能够达到7.6%，优于其他成果，并且表现出低的暗计数噪声。
图10 与其他性能先进的SPAD器件比较
dTOF读出电路测试
dTOF读出电路静态特性的测试包括动态范围、时间分辨率和非线性误差。其中动态范围和时间分辨率可以通过构建传递特性曲线表示，根据传递特性曲线可以求得非线性误差。传递特性曲线的具体测试方法为：首先利用数字延时器将Start和Stop之间的时间间隔以4.16 ns的时长步进，检测读出电路的动态范围。然后选取几个关键时间为起点，按照同样的方法以5 ps的时长步进，记录输出结果跳变时所对应的输入时间间隔，两个跳变点之间的时间间隔为实际时间分辨率。测得的传递曲线如图11所示，由于存在电源波动、时钟抖动、器件失配等非理想因素，实际传递曲线与理想结果存在一定误差。在评估系统的非线性误差时，以107~111.5 ns分辨率测试获取的所有数据为基础，得到了如图12所示的差分非线性度（DNL）和积分非线性度（INL）曲线。结果显示，DNL和INL分别在-0.88 LSB ~ 0.81 LSB和-0.92 LSB ~ 0.58 LSB范围内变化，均小于±1 LSB（1LSB=130ps），表明读出电路的传递特性能保持单调特性，误差波动范围较小。
图11 TDC传递特性曲线
图12 TDC非线性误差：（a）DNL曲线；（b）INL曲线
为了研究非理想条件下dTOF探测器量化结果的稳定性，通过外部输入固定时间间隔的Start和Stop信号进行读出电路动态特性测试。图13（a）示波器显示了80 ns TOF值的仿真结果与实测结果的对比。由于传输路径不同，Start和Stop信号的传输延时存在差异，测试结果与实际TOF值存在一定的偏差，因此在后续数据处理中可将其作为固定延时偏差进行补偿。此外，受电源噪声以及信道之间串扰的影响，探测器每次量化的结果会存在差异，这种差异可以通过重复测量恒定的TOF值并计算测量结果的分布标准差（RMS）即单射精度（precision）进行表征。图13（b）是对TOF=80 ns进行约1000次测量得到的单射精度统计直方图。可以看出，测试结果呈高斯分布，并且对峰值数据（79.682ns）进行固定误差补偿之后，其结果接近实际TOF值，此外，多次测量得到的RMS仅为188 ps。
图13 动态特性测试：（a）瞬态输出波形；（b）单射精度
表1对比了近期报道的几种dTOF探测器的关键性能。可以看出，本文提出的SPAD器件具有优越的性能，实现了高于其他研究成果的峰值PDP和低的暗计数。所设计的TDC读出电路在保持相对较小的时间分辨率的情况下达到了较大的动态范围，并且动态范围可以根据时钟的实际驱动能力增加粗计数位数来进一步扩展。同时，TDC的其他性能参数如线性度和单射精度等都控制在合理的范围内。
本文采用0.18 μm BCD工艺设计了一款基于SPAD的近红外高分辨率dTOF探测器。SPAD器件利用高压p阱/n+埋层形成深结结构并采用外延层做虚拟保护环，不但提高了对近红外光子的探测概率，而且降低了暗计数率。所设计的三步式混合结构TDC利用具有低抖动且分相均匀的内置PLL实现了130 ps分辨率和258 ns的动态范围。测试结果表明，在5 V过偏压下SPAD器件峰值PDP高达45%，并且905 nm处的PDP大于7.6%。与先进技术相比，该器件在能够对近红外光子实现高探测概率的同时暗计数噪声保持相对较低水平。此外，TDC读出电路也获得了较高的线性度，测得的DNL为-0.88 ~ 0.81 LSB，INL为-0.92~ 0.58 LSB。探测器在TOF为80 ns的单射精度测试中得到的抖动半高全宽仅有293 ps。综上，所提出的器件和读出电路具有良好的性能，为后续设计具有高效率、高分辨率和宽动态范围的大阵列探测器奠定了基础。
这项研究获得国家自然科学基金资助项目（62171233）、江苏省农业科技自主创新资金项目（CX（21）3062）、核探测与核电子学国家重点实验室资助项目（SKLPDE-KF-202307）和江苏省研究生创新计划（KYCX21_0714）的资助和支持。
DOI: 10.3788/AOS230936
