近红外单光子dTOF探测器：一款高灵敏度硅基器件的突破之路

基于单光子雪崩二极管（SPAD）的光子直接飞行时间（dTOF）探测器，其核心原理是直接测量激光发射与反射之间的时间差。这类方案天然具备体积小、功耗低、分辨率高的优势，目前已在自动驾驶、人脸识别、AR/VR以及3D成像等热门领域站稳了脚跟。通常，dTOF探测器会集成片内的时间数字转换器（TDC）来精确计量光子飞行时间。相比间接飞行时间（iTOF）技术，dTOF在抗干扰能力和动态范围上更胜一筹。现在，dTOF探测器正沿着低成本、高集成度的方向快速演进，但人眼安全阈值低、时间分辨率与动态范围互相制约这些老问题，依然横亘在前。

南京邮电大学与核探测与核电子学国家重点实验室的联合团队，在《光学学报》上发表了他们的最新成果：基于0.18 μm BCD工艺，实现了一款近红外高灵敏度dTOF探测器。这篇论文的第一作者是王帅康，通讯作者是徐跃。下面，我们来拆解一下这个方案的独到之处。

近红外SPAD器件

器件结构

先看这张SPAD的截面图（图1）。这套方案的巧妙之处在于，它利用了BCD工艺提供的高压p阱（HVPW）和高压n+埋层（HVBN），让两者之间形成一个深结耗尽层，作为雪崩倍增区——这能有效提升对近红外光子的探测概率。具体工艺上，它在HVPW里做了浅结的重掺杂P+注入，并在p+表面外侧形成环形阳极，同时在p+区表面中间特意不做金属硅化物淀积，留出一个透光窗口。高压n阱（HVNW）作为n+埋层的引出区域，表面进行浅结的重掺杂n+注入，形成环形阴极。在阴极n+接触孔和阳极p+接触孔之间，还布置了浅沟槽隔离（STI），防止电极间过早击穿。关键的一点是，雪崩倍增区外侧有一层低掺杂的p型外延层（P-epi），充当虚拟保护环。它不仅避免了器件表面被过早击穿，还显著降低了保护环区域的电场，从而减小了STI周围缺陷诱发的暗计数噪声。

从物理机制上看，SPAD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，它对近红外光生载流子的量子效率，显然要高于高压p阱区。光子被吸收后产生的电子-空xue对，在反向电场作用下分别向n+埋层和p+阳极漂移。对于近红外短波光子，能量较低，容易穿透高压p阱中性吸收区，直接进入雪崩倍增区被吸收。靠近高压p阱一侧的雪崩倍增区，因为掺杂浓度远低于n+埋层一侧，耗尽区更宽，成了产生光生载流子的主要阵地。强电场作用下，倍增区内产生的光生电子，以及从高压p阱区扩散过来的光生电子，会迅速引发雪崩倍增效应，阳极电流在瞬间暴涨，单光子探测就此完成。而且，靠近高压p阱一侧的光生电子，在反向电场作用下最终会汇入倍增区中心，这意味着雪崩倍增的路径更长、电场更强，能获得更高的雪崩倍增因子。相比那些主要依靠空xue碰撞电离的器件，这种结构的雪崩触发概率更高，对近红外光子的探测灵敏度自然也更强。

图1 SPAD截面图

TCAD仿真分析

团队基于0.18 μm BCD工艺，使用SILVACO Atlas工具对SPAD器件进行了盖革模式下的二维仿真，采用了Shock-Read-Hall复合、Conmob和Fldmob迁移率、Selberherr碰撞电离以及Geiger等物理模型，力求贴近真实器件的电学特性。为了让SPAD在满足小尺寸的同时不出现边缘击穿，优化保护环间距就成了关键。仿真对比了四种不同保护环间距的器件I-V特性曲线（图2a）。结果是：间距为0.5 μm和1.5 μm的器件，雪崩击穿电压分别是19 V和31.7 V；而间距为2.5 μm和3.5 μm的器件，击穿电压都稳定在42 V。这说明间距过小时，保护环边缘区域会提前发生雪崩击穿，导致器件无法正常工作。综合尺寸和性能考虑，他们最终选定了2.5 μm的保护环间距。图2b展示了该器件在3 V过偏压下的二维电场分布。很明显，雪崩区中心距表面约4 μm深，宽度约1 μm，电场分布集中且均匀，峰值强度达到3.75×10⁵ V/cm，这为高概率探测近红外光子提供了保障。而虚拟保护环区域因为掺杂浓度低，电场强度远小于雪崩区中心，既防止了边缘击穿，又避免了STI界面缺陷产生的载流子被强电场驱入雪崩倍增区，从而抑制了暗计数噪声。

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

探测器结构

图3展示了单光子dTOF探测器读出电路的整体结构，主要由模拟前端（AFE）、或逻辑树（OR tree）、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，设计者用16个SPAD器件组成一个探测器阵列来增大有效感光面积。每个SPAD都接一个由淬灭和脉冲整形电路构成的模拟前端，负责雪崩淬灭和脉宽压缩。整个dTOF探测器的工作流程是：SPAD处于盖革模式下，激光发射后，被目标物反射回来的光子被SPAD捕获，随即产生雪崩电流。

图3 单光子dTOF探测器电路结构图

TDC电路

要实现高分辨率和宽动态范围的TOF测量，TDC是核心。本文提出了一种具有内置时钟的三步式混合结构TDC，由粗计数器、精计数器、插值器以及锁相环（PLL）构成，如图4所示。参考时钟频率直接决定了系统的分辨率和动态范围。当分辨率要求达到皮秒级别时，时钟抖动会严重影响测量精度和线性度。为此，他们选择基于压控振荡器（VCO）的三阶II型锁相环来提供稳定时钟。VCO采用伪差分延时单元结构，以抑制电源及衬底共模噪声的干扰。更巧妙的是，在传统伪差分延时单元基础上，增加了MP5和MP6管，其栅压由外部偏置Vb控制。这样既能拓宽VCO的频率调谐范围，又有助于降低控制电压Vc波动引发的时钟抖动。同时，在每级延时单元输出端接入缓冲BUF电路，提高了时钟驱动能力，最终得到了四通道低抖动、低相位噪声、占空比接近50%的高频分相时钟（P1、P2、P3、P4）。

TDC的分辨率，由分相时钟的频率和插值器共同决定。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组成。插值单元内部采用了由传输门（TG）、D触发器（DFF）和延时线构成的相位插值结构。Start/Stop信号控制传输门的栅极来锁存相位状态，并且经过短暂延时后，还会控制DFF对传输门的数据再次锁存，以此避免噪声引起的DFF状态误翻转。在30 MHz输入时钟驱动下，VCO能输出960 MHz的四通道高频分相时钟。这四路时钟P1~P4，将一个时钟周期划分为8个时间间隔，实现了130 ps的时间分辨率。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的动态范围则取决于粗计数器的量程。粗计数器采用了反馈移存型同步计数器，在参考时钟周期不变的情况下，增加计数器位数就能提高满量程范围。不过，同步计数器位数增加会导致时钟驱动能力不足，因此他们又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，完成了对高频时钟的分频，利用带负载能力更强的低频时钟来驱动位数更多的粗计数器。这种同步加异步的计数方式，比单一结构的异步计数器响应速度更快。如图4所示，设计的2 bit精计数器可以对960 MHz时钟信号（P1）进行四分频，输出驱动能力更强的240 MHz低频时钟CP，用于驱动6 bit粗计数器。TDC总共输出16 bit数据，包含6 bit粗计数、2 bit精计数，以及4 bit Stop相位状态和4 bit Start相位状态。整个具体的量化过程，可以参考图5。

图4 TDC读出电路结构

图5 TDC电路量化原理

测试结果分析与讨论

这款近红外dTOF探测器是基于0.18 μm工艺流片的，芯片显微照片如图6a所示。为了保证芯片稳定工作，核心电路及器件周围布置了大量滤波电容CAP用于稳压降噪，并且添加了ESD保护电路。芯片包含16个SPAD、模拟前端电路以及TDC，整体尺寸仅为1.2 × 0.84 mm²。为了全面评估性能，他们搭建了如图6b所示的测试平台，针对器件的雪崩击穿电压、光子探测概率（PDP）、暗计数率（DCR）、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，都进行了详细测试。

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

用Keithley 4200A-SCS半导体参数分析仪测得的SPAD反向I-V特性如图7所示。无光条件下，SPAD的反向饱和电流（即暗电流）仅有3.7×10⁻¹¹ A；有光条件下，由于光生载流子产生，反向饱和电流高出一个数量级。无论有光还是无光，SPAD的雪崩击穿电压都在42.5 V左右，不过有光时雪崩电流随偏压上升的曲线更陡峭。仿真结果与实测高度吻合。

图7 I-V直流特性曲线

SPAD的DCR和AP测试，都是在无光环境下通过FPGA统计SPAD输出的雪崩脉冲个数来完成的。DCR由多次1秒内计数得到的雪崩脉冲平均数确定。大多数后脉冲事件出现在雪崩发生后的最初几微秒内，因此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得出。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8a显示了器件在不同温度及过偏压下的DCR变化。可以看到，随着过偏压升高，DCR没有明显退化，说明隧穿效应对暗计数的贡献很小。在给定过偏压下，温度从24℃升至70℃时，DCR显著增大，这说明该器件主要的暗计数噪声来源是与温度相关热产生-复合机制。整体来看，当温度低于70℃时，DCR整体低于1.3 KHz；在5 V高过偏压下，24℃室温时DCR甚至小于200 Hz，暗计数水平非常低。后脉冲事件与器件自身的深能级缺陷有关。由于本文提出的结构采用了较深的雪崩区，雪崩区附近的缺陷密度低，同时受到表面高浓度界面态的影响极小，因此后脉冲概率相对较小。图8b显示了室温下后脉冲概率随过偏压的变化：在5 V过偏压下，后脉冲概率仅为0.92%。从DCR和AP的测试结果来看，这款器件的噪声性能确实很出色。

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的PDP，他们将波长范围为405 ~ 940 nm的激光通过光纤传送至积分球，积分球将光均匀散射到器件表面和光功率计探头。光功率计校准总入射光功率为nW级，确保SPAD工作在单光子状态，避免光子过多引发堆叠效应。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%。更值得关注的是，得益于深结的雪崩倍增区，器件对780 ~ 940 nm近红外光子的响应灵敏度显著增强，在905 nm处的PDP依然能大于7.6%。测试结果证实，这款SPAD拥有宽光谱响应范围，可以工作在人眼安全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将本文设计的SPAD在近红外波段的PDP和DCR性能，与当前报道的先进成果进行了对比。可以看到，除了背照式器件外，传统光子正面入射的器件在905 nm处的PDP通常小于6%。而本文设计的器件在905 nm处达到7.6%，优于其他同类成果，同时保持着较低的暗计数噪声。

图10 与其他性能先进的SPAD器件比较

dTOF读出电路测试

dTOF读出电路的静态特性测试，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来呈现，再根据传递特性曲线求出非线性误差。具体的测试方法是：先用数字延时器将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点为起点，按照同样方法以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就是实际时间分辨率。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，实际曲线与理想结果之间存在一定偏差。评估系统非线性误差时，他们以107~111.5 ns分辨率测试获取的所有数据为基础，得到了图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在-0.88 LSB ~ 0.81 LSB之间，INL在-0.92 LSB ~ 0.58 LSB之间，均小于±1 LSB（1 LSB=130 ps），说明读出电路的传递特性保持了良好的单调性，误差波动范围很小。

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，他们通过外部输入固定时间间隔的Start和Stop信号，对读出电路进行了动态特性测试。图13a的示波器截图，展示了TOF值为80 ns时的仿真与实测对比。由于传输路径不同，Start和Stop信号的传输延时存在差异，导致测试结果与实际TOF值有一定偏差，这个偏差在后续数据处理中可以作为固定延时补偿。此外，受电源噪声和信道间串扰影响，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TOF值并计算测量结果的标准差（RMS），也就是单射精度（precision）来表征。图13b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。对峰值数据（79.682 ns）进行固定误差补偿后，结果十分接近实际TOF值。更关键的是，多次测量得到的RMS仅为188 ps，表现出色。

图13 动态特性测试：（a）瞬态输出波形；（b）单射精度

最后，表1对比了近期报道的几种dTOF探测器的关键性能。很明显，本文提出的SPAD器件在性能上具有优势：峰值PDP高于同类成果，暗计数保持在低水平。所设计的TDC读出电路在保持较小时间分辨率的前提下，实现了较大的动态范围，并且动态范围还可以根据时钟实际驱动能力，通过增加粗计数器位数来进一步扩展。同时，TDC的其他性能参数，如线性度和单射精度，也都控制在合理范围内。

表1 dTOF探测器关键性能对比

结论

总体来看，这项工作基于0.18 μm BCD工艺，成功设计了一款基于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，不仅提高了对近红外光子的探测概率，还有效降低了暗计数率。所设计的三步式混合结构TDC，依靠内置的低抖动、分相均匀的PLL，实现了130 ps分辨率和258 ns的动态范围。实测结果显示，在5 V过偏压下，SPAD器件的峰值PDP高达45%，905 nm处的PDP大于7.6%。与先进技术相比，这款器件在实现对近红外光子高探测概率的同时，暗计数噪声保持在较低水平。此外，TDC读出电路也获得了较高的线性度，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，抖动半高全宽仅有293 ps。可以说，这款器件和读出电路展现出了良好的综合性能，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坚实基础。