终结雪崩致损假说：ST与CEA-Leti实锤热载流子才是SPAD“早衰”的头号元凶

1.研究成就与核心贡献

此研究针对单光子雪崩二极管在长期运作下的可靠性问题，提出了深入的物理机制分析：

• 精准识别DCR漂移机制：首次系统性地辨识出诱发暗计数率漂移的关键压力因子，包括电压、辐照度与温度。

• 物理模型与模拟高度结合：利用TCAD模拟，成功建立了热载流子退化与界面电荷累积的物理模型，并与实验观测的I-V曲线及DCR-Vap曲线完美契合。

• 缺陷定位与工艺验证：通过改变工艺条件(如界面刻蚀、掺杂浓度等)，证实导致性能退化的缺陷主要位于器件顶部界面，特别是Si/SiO₂界面处的氢键断裂。

• 应力模型构建：推导出DCR漂移量(ΔDCR)与应力时间遵循$t^{0.6}$的幂律关系，为SPAD的寿命预测提供了理论依据。

2.研究团队

此研究由顶尖的跨国产学研团队共同完成：

意法半导体(STMicroelectronics)：负责先进SPAD结构设计与可靠性压力测试

法国里昂大学(INSA  Lyon)：提供深入的器件建模与固态物理机制分析
CEA-Leti：法国电子与信息技术实验室，专精于先进半导体工艺与表征技术

3.研究背景

随着飞行时间测距传感器在消费电子与汽车激光雷达中的普及，基于硅基工艺的SPAD已成为核心的光学探测器件。

SPAD通过在击穿电压以上运作(盖革模式)，实现对单光子的极高灵敏度。

然而在实际应用中，SPAD必须在高温、高光强及长时间偏压下稳定运作。

暗计数率(DCR)会随使用时间增加而向上漂移，直接导致图像完整性受损与系统信噪比下降。

此前学界虽已知DCR的组成机制，但对于"哪些物理过程诱发DCR的时间演变"仍缺乏系统性量化分析。

特别是光照产生的载流子与雪崩过程本身对器件老化的贡献程度，一直是争论焦点。

此研究试图在分子与原子尺度上，厘清电场、电流与温度如何共同作用于SPAD内部结构，导致其性能随时间退化。

4.解决方案

研究团队提出了一套多维度应力因子分离法(Stress Factors Partitioning)，核心思路包括：

• 解构应力来源：将影响可靠性的物理变量拆解为电压、辐射照度与温度。通过控制变量法，分别进行高温操作寿命(HTOL)实验与高温储存(HTS)实验，厘清各项因子对DCR的贡献比例。

• 跨偏压区域分析：将SPAD运作区间分为低偏压区(Low-bias, LB)和高偏压区(High-bias, HB)。

LB区主要观察界面载流子扩散与带间隧穿(BTBT)，HB区则聚焦于边缘击穿与场增强型陷阱辅助隧穿(TAT)。

• 物理机制与模拟互证：导入Sentaurus TCAD模拟与经验蒙特卡罗法，通过模拟电子与空穴的运动轨迹，精确定位载流子在器件内部的碰撞位置，验证热载流子退化(HCD)是否为诱发Si/SiO₂界面缺陷的主因。

• 工艺变异验证定位：通过改变工艺参数(如刻蚀深度、掺杂浓度等)，观察其对老化速率的影响，从实验端反推缺陷产生的物理空间位置。

5.实验过程与关键步骤

此研究采用的器件为先进的背面照射(BSI) SPAD，通过**混合键合(Hybrid-bonding)**技术与主动淬灭电路集成。实验流程严谨地分为以下阶段：

A. 器件表征与初始测试
器件结构包含n++阴极、p+阳极以及由n-well与p-well构成的保护环结构
在应力施加前量测器件的DC I-V特性，特别量测击穿电压以下的微弱电流，并在不同温度与照度下建立基准线

B. 应力施加与参数控制

实验设计(DOE)将器件置于不同环境下进行24小时的持续应力测试：

电压应力：-7V至6V(跨越VBD)
光学应力：0至1 W/m²的辐射强度
温度应力：353K、378K及423K
为确认老化是否由雪崩过程本身引起，研究团队通过金属屏蔽调整开口大小，控制进入器件的光子数与产生的雪崩次数，对比DCR的变化。

C. 老化后表征与动态监测

所有应力测试后，均将器件回置于基准条件(333K, Vap=5V)量测DCR，以计算绝对漂移量ΔDCR。在HTOL过程中定期提取数据以建立DCR与时间的幂律关系。

D. TCAD数值模拟 

利用Sentaurus Device求解泊松方程与电流连续方程，并纳入SRH复合、陷阱辅助隧穿(TAT)及带间隧穿(BTBT)模型。通过蒙特卡罗法模拟电子在不同过驱电压下的流向，特别观察电子流向顶部界面的行为。

6.研究成果：DCR漂移的多维度表征与物理建模

此研究通过详尽的电学与光学表征，将SPAD的暗计数率漂移与内部物理退化过程建立起量化关联。

A. 偏压依赖性与区域化表征
DCR在不同偏压区域展现出截然不同的特征：

低偏压区(LB)：尚未达到击穿电压，载流子倍增效应较弱。DCR随偏压呈现较平缓的指数关系，主要受控于中心区域(n++和p+)的载流子产生与复合。

高偏压区(HB)：在过驱电压较高时，DCR呈现陡峭上升趋势，反映了边缘保护环区域的场增强型陷阱辅助隧穿效应。

数据显示，当Vex从1V增加到6V时，DCR中位数从约30 cps/μm²激增至超过1000 cps/μm²，且分布随电压增加而扩散。

B. 光学应力与热载流子退化
通过改变应力过程中的辐射照度，研究取得突破性发现：

线性比例关系：无论是否触发雪崩，ΔDCR与辐射照度均呈线性正相关，证明漂移量直接取决于器件内部的载流子总数。

HCD机制鉴定：利用蒙特卡罗模拟，研究证实电子在流向阴极过程中会沿着顶部界面运动。

高能"热载流子"会撞击Si/SiO₂界面，导致Si-H氢键断裂，产生悬挂键(Dangling Bonds)，进而永久性地增加DCR。

C. 时间动力学与活化能
幂律演化：实验数据显示ΔDCR与时间遵循t0.6的关系。这一特定的幂指数在不同电压与照度下保持一致，暗示了背后相同的物理机制——载流子扩散与界面缺陷生成的耦合。

Arrhenius表征：通过变温量测(300K至353K)，研究提取了感应缺陷的热活化能：
在LB区，Ea约0.28 eV，符合界面SRH产生机制
在HB区，Ea降至30-100 meV，表征强电场下的隧穿效应已成为主导

D. 排除雪崩触发的直接影响
一个极具启发性的实验验证了"雪崩次数"的影响。实验显示，在给定偏压下，暗计数引发的雪崩次数与ΔDCR之间并无相关性。

即使缩小光开口以减少光子触发雪崩，ΔDCR反而因氢扩散受阻导致界面更脆弱而上升。

这有力证明了SPAD的老化主要是由**总电流(包含光电流与漏电流)**引起的热载流子效应，而非雪崩击穿过程本身。

综结性描述与关键物理机制鉴定
此研究通过严谨的实验与模拟，成功为SPAD的长期可靠性建立了完整的物理图像：
• 三位一体的应力模型：研究确认SPAD的老化(ΔDCR)是由电压、电流(包含光电流)与温度三者共同驱动。

研究排除了"雪崩触发"作为直接老化因子的假设，指出真正原因是器件内的总载流子通量与其引发的能量传递。

• 热载流子退化的确证：通过ΔDCR与$V_{ex}$的指数关系，以及与irradiance的线性依赖性，研究团队论证了HCD机制。

• TCAD模拟与蒙特卡罗轨迹分析进一步揭示：电子在流向阴极时会与Si/SiO₂界面碰撞，其释放的能量导致Si-H键断裂，形成新的界面态(Interface States)，进而永久性地推升暗计数。

• 缺陷定位与工艺鲁棒性：通过活化能表征定位缺陷主要位于顶部界面。实验显示，特定的工艺优化(如退火处理)能将ΔDCR降低2至4倍，这为未来开发高可靠性SPAD提供了明确的工艺改进方向。

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7.结语与展望

这项研究不仅为SPAD的DCR漂移提供了定量描述，更从底层物理结构出发，解决了业界对于"光照是否加速SPAD老化"的疑虑。

对于从事硅光子与激光雷达系统开发的研究者而言，这项成果强调了在设计高灵敏度探测器时，界面工程与热载流子管理的重要性。

确保SPAD在极端操作条件下的性能稳定性，是实现全自动驾驶与高阶光学传感的基石。

此研究提出的表征方法与老化模型，为下一代光子计数器件的长寿命设计奠定了坚实的理论基础。