韩国团队刊登IEEE 期刊发表：如何精控延迟实现0.1% Afterpulsing性能？

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本研究发表于《IEEE ACCESS》期刊，题为《A Programmable Active Recharge Circuit for SPAD in 110-nm BSI CMOS》，旨在提出并验证一种专为110纳米背照式（Backside-Illuminated, BSI）CMOS制程之单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）优化设计的可编程化主动式再充电（Active Recharge, AR）电路。

此研究的核心贡献在于精准控制SPAD的再充电行为，以最小化脉冲后效应概率（Afterpulsing Probability, APP）并维持高光子计数率。

其主要研究成就与看点可归纳如下：

• 优化后的APP表现：该电路成功地将SPAD的APP降低至0.1%（在20微秒的事件间隔范围内），展现了卓越的低噪声性能，这对于高灵敏度光子检测应用至关重要。

• 高光子检测率（PDP）：尽管采用BSI制程且在较长波长下，该SPAD在850纳米波长下仍能达到18.3%（VSPAD为19V时）的光子检测率，证明其在近红外（NIR）应用中的潜力，例如飞时测距（ToF）图像传感器、监控摄像机和生物医学成像。

• 可编程化控制的再充电时序：所提出的AR电路允许外部控制其核心信号8AR的延迟（DEL）和脉冲宽度（WID）。

这种可编程化能力使得研究人员能够精确调整SPAD的死区时间，以在高速光子计数应用中平衡再充电速度与APP。

• 精准延迟控制对APP的关键影响：研究发现，精确控制8AR的延迟（DEL）对于最小化APP和提升SPAD性能至关重要。

特别是在2纳秒的初始时间间隔内，当DEL从2纳秒增加到3纳秒时，不规则峰值的数量减少了3.2倍（参见图8(c)）。

这强调了死区时间选择的关键性，而非仅仅是脉冲宽度。

• 先进制程与结构优化：SPAD器件采用110纳米BSI CMOS制程制造，并结合了P型阱与深N型阱结，以及逆向P型衬底保护环来抑制过早雪崩。

BSI制程与背面金属反射器进一步提升了光子检测概率及近红外敏感度。

这些成就共同展示了该可编程化AR电路在优化SPAD性能，特别是在高速、低噪声光子检测应用中的潜力与实用性。

这项杰出研究由韩国明知大学（Myongji University）电子工程系与首尔科学技术大学（Seoul National University of Science and Technology）半导体工程系的研究人员共同完成。

• 玄皓月（Hyunho Moon）：本论文的共同作者之一，同时也是第一作者，来自明知大学电子工程系，于2025年获得电子工程学士学位，目前正在攻读电气与计算机工程硕士学位。

• 朴秉哲（Byungchoul Park）：通讯作者之一，明知大学电子工程系的助理教授，于2015年和2022年分别在延世大学获得电气与电子工程学士和博士学位。

• 金贤俊（Hyeon-June Kim）：通讯作者之一，首尔科学技术大学半导体工程系的副教授，于2010年、2012年和2017年分别在金乌工科大学和韩国科学技术院获得学士、硕士和博士学位。

单光子雪崩二极管（SPAD）作为一种反向偏压运作于击穿电压之上的p-n结，能够通过由光生载流子触发的雪崩倍增效应来检测单一光子。

凭借其高灵敏度、低噪声及精确的时间分辨率等优势，SPAD已在多种应用中展现其关键技术地位，例如飞时测距（ToF）、荧光寿命成像显微镜（FLIM）、量子随机数生成器（QRNG）以及监控成像等。

然而，尽管SPAD具有诸多优点，但其性能仍受到脉冲后效应（Afterpulsing）的限制。

脉冲后效应源于在先前雪崩事件中被陷阱捕获的载流子延迟释放，这些"伪"事件与真正的光子检测难以区分。

这种现象与SPAD的再充电行为密切相关：

若再充电时间不足，trapped载流子可能在SPAD重新准备好检测后才被释放，从而增加脉冲后效应概率（APP）。

为使SPAD恢复至可检测状态，目前主要有两种再充电方法：

• 被动式再充电电路（Passive Recharge Circuits）：

通过电阻（通常由偏压在线性区的晶体管实现）来恢复SPAD电压。

这种方法的优点是较长的再充电时间有助于被陷阱捕获的载流子释放，从而减少脉冲后效应。

然而，其固有的RC时间常数导致相对较长的再充电时间，这直接定义了SPAD的死区时间（Dead Time），在此期间SPAD无法检测到新的光子。

因此，被动式再充电电路不适用于需要短死区时间的高速光子计数应用。

• 主动式再充电电路（Active Recharge, AR Circuits）：

利用晶体管作为开关来迅速恢复SPAD电压。此方法可在数纳秒内完成SPAD的快速再充电，极大地提升了光子检测速率。

然而，快速再充电也意味着较短的死区时间，可能导致被陷阱捕获的载流子没有足够时间释放，进而增加脉冲后效应概率。

这种在再充电速度与APP之间的权衡（trade-off），凸显了AR电路中精确时序控制的必要性，特别是在要求短死区时间和高计数率的应用中。

在现有的研究中，对SPAD性能的评估，特别是APP的表征，通常依赖于时间相关载流子计数（TCCC）技术或事件间雪崩直方图（Inter-avalanche Histogramming）技术。

TCCC技术虽能提供详细的脉冲后效应时间行为，但需要同步脉冲光源且测量设置复杂、成本高昂，且低重复率导致长时间测量。

这限制了其在各种操作条件下对SPAD进行快速表征的能力。

因此，如何在实现SPAD高速光子检测的同时，有效抑制脉冲后效应，成为当前SPAD设计所面临的关键挑战。

这要求一种能够精确控制SPAD再充电行为的电路解决方案，并辅以高效的表征方法。

本研究针对上述SPAD面临的挑战，提出了一种可编程化主动式再充电（AR）电路，旨在最小化SPAD的死区时间和脉冲后效应概率（APP）。

该电路的核心设计理念是通过对主动再充电信号（8AR）的延迟（DEL）和脉冲宽度（WID）进行精确的外部控制，以系统性地评估并优化SPAD的再充电时序与脉冲后效应行为之间的相关性。

所提出的主动再充电电路架构（参见图2(b)中的详细电路图）及其工作原理如下：

1. SPAD与前端连接

SPAD的阳极连接至像素电路，其雪崩电流在此被收集并传送至后续电路。AR电路通过一个厚氧化层NMOS晶体管（MCLIP）连接到SPAD阳极。

MCLIP的存在允许后续电路使用薄氧化层晶体管，即使在过偏压VEX超过薄氧化层晶体管的操作电压时，也能保证电路的安全运行，同时最小化电路面积和功耗。

2. SPAD脉冲检测

当SPAD检测到光子时，在SPAD阳极会产生一个幅值为VEX的电压脉冲（8ANODE），并传播至AR电路。

3. AR电路组成

AR电路主要由以下几个关键元件构成：

• NMOS再充电晶体管（MAR）：这是实际负责将SPAD阳极再充电至地电位的元件，由8AR信号驱动。MAR的大小是根据MCLIP的电流驱动能力确定的。

  
  

• 反相器链（Inverter Chain）：由一个常规反相器和两个电流饿死反相器（current-starved inverters）组成。当8ANODE触发时，脉冲会传播经过此反相器链。

  
  

• AND逻辑门：此逻辑门以两个电流饿死反相器的输出（8TRG⟨2⟩和8TRG⟨3⟩）作为输入，并产生核心的8AR信号。

4. 可编程化时序控制

• 延迟（DEL）：8ANODE和8AR之间的延迟被定义为DEL。这段延迟时间由第一个常规反相器和第一个电流饿死反相器的延迟决定。

  
  

  DEL直接决定了SPAD的死区时间，在此期间SPAD保持不活跃状态。

  
  

• 脉冲宽度（WID）：8AR的脉冲宽度WID代表第二个电流饿死反相器的延迟。

  
  

• 调整机制：每个电流饿死反相器的传播延迟可以通过限制其上拉和下拉晶体管的电流来调整。

  
  

  这是通过控制其栅极电压（BiasN⟨1:2⟩, BiasP⟨1:2⟩），并利用电流镜实现的。

  
  

  这种机制使得电路的延迟能够在2纳秒到数百纳秒的范围内进行编程化调整。

5. 信号完整性

在电流饿死反相器的输出端添加了一个常规反相器，以使过渡边缘更锐利并恢复完整的输出摆幅。

6. APP表征方法

本研究采用**事件间雪崩直方图技术（Inter-avalanche Histogramming Technique）**来量化APP。这种方法利用自触发统计方式，记录连续雪崩事件之间的时间间隔（Δt），无需外部触发或同步。

在测量过程中，SPAD会在弱光下被照射，以提高采集速率和减少APP测量所需的时间。

通过分析Δt直方图中的不规则峰值来计算APP。通过这种可编程化的设计，该研究能够系统地探究SPAD死区时间、脉冲宽度与脉冲后效应之间的复杂关系，进而提供一个灵活且有效的解决方案，以优化SPAD在高速度、低噪声光子检测应用中的性能。

本研究的实验过程与步骤涵盖了从SPAD器件制备到主动再充电电路特性测量及脉冲后效应（APP）表征的全过程，旨在系统地评估所提出方案的性能。

1. SPAD器件制备与结构

• 制程技术：所提出的SPAD是采用110纳米背照式（Backside-Illuminated, BSI）CMOS制程制造的。这种制程经过优化，专用于CMOS图像传感器。

• 结点结构：SPAD采用了P型阱（p-well）与深N型阱（deep n-well）结的配置。

• 保护环设计：为抑制SPAD过早的边缘击穿（premature breakdown），在结点边缘设置了逆向P型衬底保护环（retrograde p-substrate guard-ring）。

• BSI优势：BSI制程通过最小化光学障碍（如金属线和介电层）来增强光子检测概率（PDP）。

此外，还利用背面金属反射器（backside metal reflector）来增加长波长光子的有效光学路径长度，从而提升近红外（NIR）灵敏度，因为这能提高光子在空乏区附近被吸收的概率。

• 像素布局优化：为最大程度减少三个输出信号之间的时钟偏差（clock skew），像素布局经过精心优化，以最小化寄生电容失配和布线不平衡。

• 金属屏蔽：在电路区域上方应用了金属屏蔽，以阻挡入射光到达下方的晶体管，从而防止光子引起的电流产生，确保像素内电路的稳定运行。

2. 主动再充电电路功能实现

• 电路组成：提议的AR电路包含一个NMOS再充电晶体管（MAR）、一个电流饿死反相器链和一个AND逻辑门。

• 时序控制实现：电流饿死反相器链由一个常规反相器和两个电流饿死反相器构成。通过控制电流饿死反相器中上拉和下拉晶体管的栅极电压（BiasN⟨1:2⟩, BiasP⟨1:2⟩），可以调整流经它们的电流，从而实现**可编程化的延迟（DEL）和脉冲宽度（WID）**控制，范围从2纳秒到数百纳秒。

• 输出缓冲与信号路由：为精确测量DEL和WID的时序，每个电流饿死反相器的输出（8TRG⟨1⟩, 8TRG⟨2⟩, 8TRG⟨3⟩）都通过等长信号路径的输出缓冲器路由出芯片。

3. 测量设置与实验过程

• 测量环境：所有测量均在室温下进行。

• 电压供应：所需电压由低纹波直流电源（Keysight E36234A）提供。

• 控制信号与数据通讯：现场可编程门阵列（FPGA, XEM-7360）用于为像素提供控制信号，并实现与控制PC的实时数据通讯。

• 偏置电流施加：像素的偏置电流通过两个源测量单元（Keithley 2400）施加。

• 信号观察：像素输出连接到带宽示波器（Teledyne LeCroy SDA 813Zi-A），通过等长SMA电缆连接。

该示波器最大采样率可达40 GS/s，时间分辨率为25 ps，能够精确观察信号。

• 光照控制：可控直流光源放置在像素前方。

• APP特性化：采用事件间雪崩直方图技术来量化APP。该方法通过记录连续雪崩事件之间的时间间隔（Δt）来评估APP。SPAD在弱光下被照射，以提高数据采集速率。

通过对Δt直方图的后段进行拟合来估计背景噪声水平，并将高于背景噪声的计数认定为脉冲后效应（参见图7(a)和图7(b)）。

• 时序特性化（DEL/WID测量）：为精确测量DEL和WID，AR电路可以通过PMOS主动淬灭晶体管（MAQ）进行外部触发。在测量期间，SPAD阴极接地。

当MAQ被控制信号8AQ启动时，AR电路输入被强制为VPIX，这模拟了8ANODE的上升沿，作为测量每个电流饿死反相器延迟的精确参考。

MAQ禁用后，8ANODE会通过MCLIP再充电回地。

这些详细的实验制备、电路设计与测量步骤，确保了研究结果的可靠性与对所提出AR电路性能的全面评估。

本研究对所提出的SPAD及其可编程化主动再充电电路进行了全面且详尽的性能表征，主要涵盖了电气特性、光电特性以及脉冲后效应行为。

1. I-V 曲线检查 (I-V Curve Check)

• 测量结果：SPAD的I-V曲线在暗态和光照条件下均进行了测量（参见图4）。光照条件下显示了重复的雪崩活动。

• 雪崩电压（Breakdown Voltage, BDV）：所提出的SPAD的击穿电压（VBR）测量值为15.4 V。

• 雪崩电流：当SPAD偏压（VSPAD）增加到18 V时，雪崩电流达到约10 mA。此结果也指出，此雪崩电流显著超过了MAR（NMOS再充电晶体管）的电流处理能力，这可能导致在SPAD再充电过程中仍然可能触发雪崩事件。

2. 暗计数率（Dark Count Rate, DCR）

• 测量方法：DCR测量在暗室中进行，VSPAD从16 V变化到19 V，步进为0.2 V。

测量期间没有光照，雪崩脉冲数量使用带宽示波器计数（参见图5）。

• 测量结果：在VSPAD为18 V时，所提出的SPAD的DCR测量值为12,500 cps（每秒计数）。

考虑到SPAD的有效面积为277 µm²，这相当于45.12 cps/µm²的DCR。

• 讨论与改善：研究指出，与采用前照式（Frontside-Illuminated, FSI）制程的类似SPAD结构相比，此DCR显著增加。

这主要归因于BSI制程所需的晶圆减薄和表面蚀刻所导致的缺陷。

此外，暗产生载流子的横向扩散可能导致SPAD之间产生电串扰，进一步增加DCR。

文献中也提及，可通过实施深沟槽隔离（Deep Trench Isolation, DTI）来缓解此问题，DTI利用氧化物填充的沟槽有效抑制横向载流子扩散。

3. 光子检测概率（Photon Detection Probability, PDP）

• 测量方法：PDP测量采用校准光学设置和单色器进行，入射光波长以50纳米为步进变化。

测量范围覆盖可见光到近红外（NIR）光谱，VSPAD从17 V变化到19 V。入射光功率使用参考光电二极管测量，PDP通过每个波长下检测到的光子事件数除以入射光子数计算（参见图6）。

• 测量结果：

在VSPAD为19 V时，PDP的峰值为35.7%，位于600纳米波长处。

在近红外（NIR）波长下，由于BSI制程的利用，PDP显著提升，在850纳米波长下，VSPAD为19 V时达到18.3%，总结性能为**17.45%**在850nm。

• 讨论：研究指出，在波长低于600纳米时，所测量的PDP低于具有类似技术节点的前照式制程SPAD。

这主要是由倍增区深度增加所导致。PDP是量子效率（Quantum Efficiency）的直接衡量，本研究直接测量了PDP。

虽然来源未直接提及「全光谱量子效率（EQE）」或「全光谱光谱响应（SR）」作为独立测量参数，但PDP曲线（图6）实质上提供了光谱响应和量子效率在特定偏压下的信息。

4. 脉冲后效应概率（Afterpulsing Probability, APP）

• 定义与测量：APP是衡量SPAD性能的关键指标，定义为脉冲后效应事件数与总雪崩检测事件数之比。

本研究采用事件间雪崩直方图技术进行APP特性化。

• 基本性能：在VSPAD设为18 V（相当于VEX 2.6 V），DEL和WID均配置为5纳秒的条件下，使用2500个bin、每个bin对应8纳秒间隔的直方图，记录了350万次检测事件。

在此条件下，APP仅为0.1%，展现了所提出SPAD优异的APP性能（参见图7(a)和图7(b)）。

• DEL对APP的影响：

通过改变DEL从2纳秒到11纳秒进行测量，WID设为3.5纳秒以确保SPAD正确再充电。测量使用5000个bin、0.4纳秒分辨率的直方图，记录了高达2微秒的雪崩间隔。

即使DEL在2到11纳秒之间变化，测量的总体APP仍保持在1%以下（参见图8(b)）。然而，在初始的2纳秒时间间隔内，不规则峰值的数量明显依赖于DEL（参见图8(c)）。

当DEL为2纳秒时观察到最高的不规则峰值，而当DEL增加到3纳秒时，其数量减少了3.2倍。

随着DEL进一步增加，不规则峰值的数量有再次上升的趋势。这些结果表明，DEL在3到6纳秒之间提供了一个优化操作范围，以最小化不规则峰值，同时维持高光子计数率。

这强调了精确控制DEL对于降低APP的关键性。• WID对APP的影响：通过改变WID从2纳秒到11纳秒进行测量，DEL设为5纳秒。

测量结果显示（参见图9(b)），总体APP在WID变化时也保持在1%以下。当对前2纳秒时间间隔内的计数求和时（参见图9(c)），结果显示不规则峰值与WID之间没有显著相关性。

此外，最小Δt的测量结果（最短连续雪崩事件间隔）也与WID没有明确相关性（参见图9(d)）。

这暗示在SPAD再充电期间仍可能触发雪崩事件，因为雪崩电流（约10 mA）远超MAR的电流驱动能力。

5. 总体性能摘要

综合来看，表1总结了在110纳米BSI CMOS图像传感器制程中实现的SPAD的性能：

• 雪崩电压：15.4 V

• 过偏压（VEX）：测量在2.6 V的VEX下进行

• APP：在20微秒的直方图范围内测量为0.1%• DCR：12,500 cps (相当于45.12 cps/µm²，考量277 µm²的SPAD有效面积)

• PDP：在850纳米波长下测量为17.45%

这些结果有力证明了所提出的SPAD在近红外应用中的潜力，例如飞时测距图像传感器、监控摄像机和生物医学成像。