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基于單光子雪崩二極管（SPAD）的光子直接飛行時間（dTOF）探測器通過測量發射光與反射光之間的時間間隔來計算所探測的距離，具有體積小、功耗低和分辨率高等優點，已被廣泛應用于自動駕駛、人臉識別、AR/VR以及3D成像等新興應用領域。dTOF探測器通常采用片內的時間數字轉換器（TDC）來精確測量光子飛行時間，相比于間接飛行時間（iTOF）測量技術，具有更高的抗干擾能力和更寬的動態范圍。目前dTOF探測器正朝著與硅基工藝相兼容的低成本和高集成度方向快速發展，然而還存在人眼安全閾值低、時間分辨率和動態范圍相制約等問題。
據麥姆斯咨詢報道，南京郵電大學集成電路科學與工程學院、射頻集成與微組裝技術國家地方聯合工程實驗室和核探測與核電子學國家重點實驗室的聯合科研團隊在《光學學報》期刊上發表了以“一種硅基高靈敏度近紅外單光子dTOF探測器”為主題的文章。該文章第一作者為王帥康，通訊作者為徐躍。
本文基于0.18 μm BCD工藝研究并實現了一種近紅外高靈敏度dTOF探測器。
近紅外SPAD器件
器件結構
所提出的近紅外SPAD器件的截面圖如圖2所示。該器件利用BCD工藝提供的高壓p阱（HVPW）和高壓n+埋層（HVBN）之間形成的深結耗盡層作為雪崩倍增區，有效提高對近紅外光子的探測概率。同時在HVPW里進行淺結的重摻雜P+注入，并在p+表面外側形成環形的陽極，且在p+區表面中間不做金屬硅化物淀積，形成透光的窗口。高壓n阱（HVNW）作為n+埋層的引出區域，在其表面進行淺結的重摻雜n+注入，并在n+區表面形成環形的陰極。在器件陰極n+接觸孔和陽極p+接觸孔之間還有淺溝槽隔離（STI），防止器件電極之間發生擊穿。特別是在雪崩倍增區外側有低摻雜的p 型外延層（P-epi）作為器件的虛擬保護環，不但能避免器件表面被過早擊穿，而且能有效降低保護環區域的電場，減小STI周圍缺陷引起的暗計數噪聲影響。
SPAD器件對光子的吸收主要發生在雪崩倍增區和高壓p阱區，由于雪崩倍增區被完全耗盡且深埋于襯底，因此能獲得比高壓p阱區更高的近紅外光生載流子量子效率。高壓p阱區和雪崩倍增區吸收光子后產生的電子-空穴對在反向電場作用下分別向n+埋層和p+陽極方向漂移。對于近紅外短波光子，由于能量較低而容易穿過高壓p阱中性吸收區進入雪崩倍增區被吸收?？拷邏簆阱一側的雪崩倍增區由于摻雜濃度遠低于n+埋層一側的雪崩倍增區，其耗盡區更寬，是產生光生載流子的主要區域。由于雪崩倍增區存在強電場，雪崩倍增區內產生的光生電子和高壓p阱區擴散過來的光生電子會在強電場作用下發生雪崩倍增效應，使陽極電流在短時間內迅速增加，實現單光子的探測。由于靠近高壓p阱一側的雪崩倍增區的光生電子在反向電場作用下最終進入倍增區中心，從而使發生雪崩倍增的路徑更長、雪崩電場更強，可獲得更高的雪崩倍增因子，相比與主要依靠空穴碰撞電離的器件有更高的雪崩觸發概率，能顯著增強器件對近紅外光子的探測靈敏度。
圖1 SPAD截面圖
TCAD仿真分析
基于0.18 μm BCD工藝對所提出的SPAD器件使用SILVACO Atlas工具進行了蓋革模式下的二維器件仿真。仿真采用了Shock-Read-Hall載流子產生-復合、Conmob和Fldmob遷移率、Selberherr碰撞電離和Geiger等物理模型以獲得接近實際的器件電學特性。為了能使所設計的SPAD器件既滿足小尺寸要求又保證不發生邊緣擊穿，需要優化最佳保護環間距。圖2（a）顯示了仿真得到的四種不同保護環間距的器件I-V特性曲線。可以看出，保護環間距為GRW=0.5 μm和GRW=1.5 μm器件的雪崩擊穿電壓分別為19 V和31.7 V，而保護環間距為GRW=2.5 μm與3.5 μm器件的雪崩擊穿電壓均為42 V，這說明當間距過小時，會在保護環邊緣區域提前發生雪崩擊穿，從而使SPAD器件不能正常工作。綜合考慮器件尺寸及性能，本文選用2.5 μm的保護環間距。圖2（b）為GRW=2.5 μm器件在過偏壓為3 V下的二維電場分布情況。可以看到器件雪崩區中心距表面深度約為4 μm，雪崩區寬度約為1 μm，電場分布均勻、集中，電場強度峰值達到3.75×10? V/cm，從而保證了對近紅外光子有更高的探測概率。由于虛擬保護環區域摻雜濃度低，電場強度明顯小于雪崩區中心電場，能夠有效防止器件邊緣過早擊穿，同時避免STI界面缺陷產生的載流子被強電場驅入雪崩倍增區而引發嚴重的暗計數噪聲。
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圖2 TCAD仿真：（a）I-V特性曲線；（b）二維電場分布
單光子dTOF探測器讀出電路
探測器結構
單光子dTOF探測器讀出電路結構如圖3所示，主要由模擬前端（AFE）、或邏輯樹（ORtree）、TDC電路以及并串轉換電路（PISO）組成。為了提高單光子探測效率，由16個SPAD器件構成一個探測器陣列來增加有效的感光面積，每個SPAD都接1個由淬滅和脈沖整形電路構成的模擬前端進行雪崩淬滅和脈寬壓縮。dTOF探測器的工作原理如下：SPAD器件工作在蓋革模式下，激光發射后被目標物反射回的光子被SPAD探測到立即產生雪崩電流。
圖3 單光子dTOF探測器電路結構圖
TDC電路
為了實現高分辨率和寬動態范圍的TOF值測量，本文提出了一種由粗計數器（CoarseCounter）、精計數器（Fine Counter）、插值器（Interpolator）以及鎖相環PLL 構成的具有內置時鐘的三步式混合結構TDC，如圖4所示。考慮到參考時鐘頻率會影響系統的分辨率和動態范圍，當分辨率達到皮秒水平時，時鐘的抖動會直接影響測量的精度和線性度，為此本文采用基于壓控振蕩器（VCO）的三階II型鎖相環為系統提供穩定的時鐘。其中，VCO采用偽差分延時單元（Delay）結構來抑制電源及襯底共模噪聲的影響，并在傳統偽差分延時單元的基礎上增加MP5和MP6管，其柵壓由外部偏置Vb進行控制，不僅能夠拓寬VCO的頻率調諧范圍，而且有利于降低控制電壓Vc波動造成的時鐘抖動。此外，在每級延時單元的輸出端接入緩沖BUF電路提高時鐘驅動能力，可以得到具有低抖動、低相位噪聲和占空比接近50%的四通道高頻分相時鐘（P1、P2、P3、P4）。
TDC的分辨率由分相時鐘的頻率和插值器決定，插值器包含對Start和Stop信號上升沿分別采樣的兩個模塊，每個模塊都由四個基本的插值單元（Unit）組成，插值單元內部采用由傳輸門（TG）、D觸發器（DFF）和延時線（Delay line）構成的相位插值結構，通過Start/Stop信號控制傳輸門的柵極實現對相位狀態的鎖存，并且Start/Stop信號經過短暫延時后控制DFF對傳輸門的數據進行再次鎖存，避免了噪聲引起的DFF狀態翻轉。在30MHz輸入時鐘驅動下，VCO可輸出960 MHz的四通道高頻分相時鐘。分相時鐘P1~P4將時鐘周期分成8個時間間隔實現130 ps的時間分辨率，其中每個時間間隔對應一個相位狀態，當Start或Stop信號到來時，插值器可以直接鎖存其上升沿所處的相位狀態。而TDC的動態范圍取決于粗計數器量程，粗計數器采用反饋移存型同步計數器，在參考時鐘周期不變的情況下可以通過增加計數器位數提高滿量程范圍。但同步計數器位數的增加會導致時鐘驅動能力的不足，因此增加了由異步計數器構成的精計數器。精計數器在對分相時鐘進行計數的同時完成對高頻時鐘的分頻，利用帶負載能力更強的低頻時鐘可以驅動更多位數的粗計數，并且采用同步加異步的計數方式相較于單一結構的異步計數器能獲得更快的響應速度。如圖4所示，設計的2 bit精計數器可對960 MHz時鐘信號（P1）進行四分頻處理產生驅動能力更強的240 MHz的低頻時鐘CP用于驅動6 bit粗計數器。TDC共輸出16 bit數據，包含6 bit粗計數D[15:10]、2 bit精計數D[9:8]、4 bit Stop相位狀態D[7:4]以及4 bit Start相位狀態D[3:0]。TDC電路具體的量化過程如圖5所示。
圖4 TDC讀出電路結構
圖5 TDC電路量化原理
測試結果分析與討論
提出的近紅外dTOF探測器基于0.18 μm工藝實現流片，芯片的顯微照片如圖6（a）所示。為保證芯片正常穩定工作，在核心電路及器件周圍加入大量濾波電容CAP穩壓、降噪，并添加ESD保護電路防止靜電效應的影響。芯片包含16個SPAD和模擬前端電路以及TDC，整體尺寸為1.2 × 0.84 mm2。為了評估探測器芯片的電學和光學特性，搭建了如圖6（b）所示的測試平臺，主要針對器件的雪崩擊穿電壓、PDP、DCR和后脈沖概率（AP）以及讀出電路的分辨率和光子飛行時間測量精度進行了測試。
圖6 芯片及測試環境：（a）芯片顯微照片；（b）測試平臺
SPAD器件測試
使用Keithley 4200A-SCS半導體參數分析儀測量得到的SPAD反向I-V特性如圖7所示。在無光條件下，SPAD反向飽和電流即暗電流僅有3.7×10?11 A，而在有光條件下，由于光生載流子的產生，器件反向飽和電流比無光時明顯高出一個數量級。在有光和無光條件下SPAD器件的雪崩擊穿電壓都在42.5 V左右，而有光時器件雪崩電流隨偏壓上升的更加陡峭，測試結果與仿真結果顯示出很好的一致性。
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圖7 I-V直流特性曲線
SPAD器件的DCR和AP的測試均在無光環境下通過FPGA統計SPAD輸出的雪崩脈沖個數得到。其中，DCR由多次1秒內計數得到的雪崩脈沖的平均數確定，而大多數后脈沖事件出現在雪崩發生后的最初幾微秒內，其概率可以通過記錄數百萬次雪崩脈沖的時間間隔形成的直方圖統計獲得。器件的暗計數噪聲主要由非平衡載流子熱產生-復合、缺陷輔助隧穿和帶-帶隧穿三種機制產生，帶-帶隧穿僅在5 V以上的高過偏壓下才會發生，而熱產生-復合和缺陷輔助隧穿機制分別與溫度和過偏壓呈正相關。圖8（a）顯示了器件在不同溫度及過偏壓下的DCR變化曲線，可以看出，隨著過偏壓的升高，器件的DCR沒有發生明顯的退化，表明隧穿效應對暗計數的貢獻較小。在給定的過偏壓下，當溫度由24oC升至70oC時，DCR顯著增大說明該器件的主要暗計數噪聲來源是與溫度相關的熱產生-復合機制。從整體上看，該器件在溫度低于70 oC時，DCR整體低于1.3 KHz，并且在5 V高的過偏壓下，24 oC室溫時DCR小于200 Hz，表現出較低的暗計數水平。后脈沖事件與器件自身固有的深能級缺陷有關，由于本文提出結構采用較深的雪崩區，雪崩區附近的缺陷密度低，同時其受到表面高濃度界面態的影響非常小，后脈沖事件發生的概率相對較小。圖8（b）顯示了室溫下SPAD后脈沖概率隨過偏壓的變化關系，在5 V過偏壓下僅有0.92%。從DCR和AP的測試結果可以看出該器件具有優異的噪聲性能。
圖8 （a）不同溫度下DCR隨過偏壓的變化；（b）室溫下后脈沖概率隨過偏壓的變化
為了測量SPAD器件的PDP，將波長范圍為405 ~ 940 nm的激光通過光纖傳送到積分球（Integrating sphere），積分球會將光均勻散射到器件表面和光功率計的探頭。并且光功率計可以校準總入射光功率為nW級，從而保證SPAD器件工作在單光子狀態，以免入射光子過多發生堆疊效應。
PDP測量結果如圖9所示，在過偏壓大于2 V時，PDP在450 ~ 780 nm波長范圍內均大于15%，在5 V過偏壓下，器件在600 nm處的PDP峰值達到了43.3%。此外，由于具有深結的雪崩倍增區，器件對780 ~ 940 nm的近紅外光子的響應靈敏度也得到顯著增強，PDP在905 nm處依然能夠大于7.6%。測試結果驗證了該SPAD具有寬光譜響應范圍，可以工作在人眼閾值較高的近紅外短波波段。
圖9 PDP對光子波長響應曲線
圖10將所設計SPAD器件的近紅外PDP和DCR的性能與報道的先進成果進行了對比。可以看到，除背照式器件外，對于傳統光子正面入射的器件在905 nm處的PDP通常小于6%。而本文所設計的器件在905 nm處的PDP能夠達到7.6%，優于其他成果，并且表現出低的暗計數噪聲。
圖10 與其他性能先進的SPAD器件比較
dTOF讀出電路測試
dTOF讀出電路靜態特性的測試包括動態范圍、時間分辨率和非線性誤差。其中動態范圍和時間分辨率可以通過構建傳遞特性曲線表示，根據傳遞特性曲線可以求得非線性誤差。傳遞特性曲線的具體測試方法為：首先利用數字延時器將Start和Stop之間的時間間隔以4.16 ns的時長步進，檢測讀出電路的動態范圍。然后選取幾個關鍵時間為起點，按照同樣的方法以5 ps的時長步進，記錄輸出結果跳變時所對應的輸入時間間隔，兩個跳變點之間的時間間隔為實際時間分辨率。測得的傳遞曲線如圖11所示，由于存在電源波動、時鐘抖動、器件失配等非理想因素，實際傳遞曲線與理想結果存在一定誤差。在評估系統的非線性誤差時，以107~111.5 ns分辨率測試獲取的所有數據為基礎，得到了如圖12所示的差分非線性度（DNL）和積分非線性度（INL）曲線。結果顯示，DNL和INL分別在-0.88 LSB ~ 0.81 LSB和-0.92 LSB ~ 0.58 LSB范圍內變化，均小于±1 LSB（1LSB=130ps），表明讀出電路的傳遞特性能保持單調特性，誤差波動范圍較小。
圖11 TDC傳遞特性曲線
圖12 TDC非線性誤差：（a）DNL曲線；（b）INL曲線
為了研究非理想條件下dTOF探測器量化結果的穩定性，通過外部輸入固定時間間隔的Start和Stop信號進行讀出電路動態特性測試。圖13（a）示波器顯示了80 ns TOF值的仿真結果與實測結果的對比。由于傳輸路徑不同，Start和Stop信號的傳輸延時存在差異，測試結果與實際TOF值存在一定的偏差，因此在后續數據處理中可將其作為固定延時偏差進行補償。此外，受電源噪聲以及信道之間串擾的影響，探測器每次量化的結果會存在差異，這種差異可以通過重復測量恒定的TOF值并計算測量結果的分布標準差（RMS）即單射精度（precision）進行表征。圖13（b）是對TOF=80 ns進行約1000次測量得到的單射精度統計直方圖。可以看出，測試結果呈高斯分布，并且對峰值數據（79.682ns）進行固定誤差補償之后，其結果接近實際TOF值，此外，多次測量得到的RMS僅為188 ps。
圖13 動態特性測試：（a）瞬態輸出波形；（b）單射精度
表1對比了近期報道的幾種dTOF探測器的關鍵性能?？梢钥闯觯疚奶岢龅腟PAD器件具有優越的性能，實現了高于其他研究成果的峰值PDP和低的暗計數。所設計的TDC讀出電路在保持相對較小的時間分辨率的情況下達到了較大的動態范圍，并且動態范圍可以根據時鐘的實際驅動能力增加粗計數位數來進一步擴展。同時，TDC的其他性能參數如線性度和單射精度等都控制在合理的范圍內。
表1 dTOF探測器關鍵性能對比
結論
本文采用0.18 μm BCD工藝設計了一款基于SPAD的近紅外高分辨率dTOF探測器。SPAD器件利用高壓p阱/n+埋層形成深結結構并采用外延層做虛擬保護環，不但提高了對近紅外光子的探測概率，而且降低了暗計數率。所設計的三步式混合結構TDC利用具有低抖動且分相均勻的內置PLL實現了130 ps分辨率和258 ns的動態范圍。測試結果表明，在5 V過偏壓下SPAD器件峰值PDP高達45%，并且905 nm處的PDP大于7.6%。與先進技術相比，該器件在能夠對近紅外光子實現高探測概率的同時暗計數噪聲保持相對較低水平。此外，TDC讀出電路也獲得了較高的線性度，測得的DNL為-0.88 ~ 0.81 LSB，INL為-0.92~ 0.58 LSB。探測器在TOF為80 ns的單射精度測試中得到的抖動半高全寬僅有293 ps。綜上，所提出的器件和讀出電路具有良好的性能，為后續設計具有高效率、高分辨率和寬動態范圍的大陣列探測器奠定了基礎。
