告别复杂的 VBD 直接测量：如何利用DCR作为性能指标，实现 180nm CMOS 下的像素级主动偏压补偿？”

一、研究成就与核心看点

在先进光电探测领域，单光子雪崩二极管阵列的规模化发展面临着严峻的硬件一致性挑战。

此研究提出了一种基于标准180 nm CMOS工艺的全集成自适应偏压电路，旨在解决因工艺偏差导致的性能非均匀性问题。

核心创新点：

创新的反馈机制：首次提出以 暗计数率 为每个像素均匀性的关键指标，并通过自动化电路进行闭环调节。

精准的像素级调控：通过在每个SPAD的阳极端引入可编程补偿电流，实现了单个像素过剩偏压的微调，有效抵消了击穿电压的空间变异。

显著的性能提升：在2 kHz的目标DCR下，成功将2×2宏像素阵列中的DCR变异比（最大值/最小值）从15.2大幅降低至4.1；在10 kHz目标下，则由3.8降至1.5。

高度集成与低开销：电路采用全集成设计，面积仅为126 µm × 99 µm，且通过复用16位计数器与调节控制器，将硬件资源开销降至最低

二、研究团队

本研究由**中山大学（Sun Yat-sen University）电子与信息工程学院科研团队完成。

通讯作者为李显波（Xianbo Li）**副教授，其研究方向聚焦于SPAD阵列接收机及光无线通信系统。

该研究获得了广东省珠江人才计划与国家自然科学基金的支持。

三、研究背景：
规模化SPAD阵列的"一致性"困局

随着自动驾驶（LiDAR）、光学无线通信以及医疗影像技术的蓬勃发展，对于高分辨率、大面积SPAD阵列的需求日益迫切。

然而，在实际生产中，受限于半导体制造的工艺变异（Process Variations），同一个晶圆甚至同一个阵列内的不同SPAD器件，其物理特性往往存在显著差异。

核心问题在于击穿电压（VBD）的不一致。SPAD工作于盖革模式（Geiger mode），其关键性能（如DCR和光子探测效率PDE）高度依赖于过剩偏压（Excess Bias Voltage, VEX），定义为VEX = VBias - VBD。

由于每个SPAD的VBD会因掺杂浓度或结构缺陷的微小差异而波动，若对整个阵列施加统一的全局偏压，则会导致各像素间的VEX不同，进而造成DCR的剧烈波动与成像质量的劣化。

现有解决方案的局限性：
1.全局自适应电荷泵：虽能根据阵列整体DCR调节偏压，但无法针对单个像素进行精细调谐

2.实时击穿监测与阳极采样：虽能监控VBD，但采样电路带来的巨大寄生电容会显著增加复位时间，进而提高后脉冲概率

3.基于DAC的数模转换调压：在大型阵列中面临严重的IR压降问题，长距离导线引入新的不一致性，且测量每个SPAD的VBD在实际应用中极其困难

4.单位修调技术：结构简单但调节范围极其有限，无法应对较大的工艺波动

四、解决方案：
以DCR为性能指标的像素级主动补偿策略

针对传统方法试图直接测量每个像素物理VBD的复杂性，本研究转而采用**暗计数率（DCR）**作为"性能指标"来间接反映VBD的变异程度。

核心设计思路：

1.过剩偏压的数学关系：在复位状态下，SPAD的过剩偏压可表示为VEX = VBias - VBD - VA，其中VA为阳极电压

2.动态阳极电压补偿：不更动全局偏压VBias，而是通过在每个SPAD的阳极端引入可编程补偿电流支路来调节VA

3.闭环反馈系统：系统自动统计各像素在特定时间窗口内的脉冲数（即DCR估算值），若DCR超过设定的目标值，调节控制器会改变补偿电流的大小，进而提升VA，降低该像素的VEX，最终使其DCR降至目标范围内

4.电路架构亮点：采用宏像素（Macro-pixel）概念，一个2×2的SPAD阵列共用一个16位计数器与一个调节控制器。

通过多路复用器（MUX）轮流对单个SPAD进行校准，这种"复用硬件"的设计极大地优化了晶圆面积利用率，并降低了整体功耗。

五、电路实现与自动化调节流程

A. 像素级淬灭与复位电路（QRBC）设计

每个像素包含专门设计的QRBC电路，核心组成部分包括：

1.淬灭与复位单元（M1-M6）：实现盖革模式下的雪崩侦测与恢复
2.可编程电流支路（M7-M10）：M7与M9被设计为电流源，其中M9的宽度是M7的两倍，且长度均设定为5 µm以抑制短沟道效应
3.调节位（DEC[1:0]）：通过这两个位，可以组合出0至3的补偿电流（共四个档位），进而控制VA的提升幅度
4.电压调整范围：为避免误触发并平衡淬灭速度，阳极电压VA的调整范围被限制在460 mV

B. 自动化调节流程
调节过程是高度自动化的数字控制流：

1.设定时间窗口：根据公式DCRTARGET = 1/TIMEWIN定义目标DCR。例如，若要设定2 kHz的目标值，则将窗口设为500 ms

2.DCR采样：16位计数器统计在TIMEWIN内的脉冲数
3.控制器决策：根据预设的四种模式，控制器判断当前DCR是否达标。若DCR过高，则增加DEC[1:0]的数值，增加补偿电流
4.状态存储：一旦调节完成，最优的DEC[1:0]配置将被存储在片上的2位寄存器阵列中，确保校准后的设置持久生效

C. 物理表征
在硬件测试阶段，研究团队采用Keysight B1500半导体参数分析仪对SPAD进行了I-V曲线检查。

测试结果显示其典型击穿电压VBD为15.4 V。

随后，芯片在室温环境下进行了无光照测试，以获取初始的暗计数数据，作为后续调节的基准。

六、研究成果与性能表征

A. 基础电性表征与芯片物理规格

．I-V曲线检查与击穿电压：利用Keysight B1500半导体参数分析仪测得，该SPAD的典型击穿电压VBD为15.4 V

．芯片布局与面积：整个2×2宏像素单元（含SPAD、QRBC、16位计数器及读出电路）的总面积仅为126 µm × 99 µm。

这种高集成度证明了该方案在大规模阵列扩展中的可行性

B. 核心性能指标：暗计数率（DCR）的均匀化表征
研究团队针对不同的偏压范围，设定了两个目标DCR值（2 kHz与10 kHz）来验证调节效果。

目标DCR = 2 kHz的调节表现：
．调节前：像素间展现出极差的一致性，DCR变异比（Max/Min）高达15.2，其中SPAD2的原始DCR高达9.4 kHz

．调节后：通过自动化的电流补偿，SPAD2的DCR被有效压制至1.9 kHz。整体的DCR变异比大幅下降至4.1。

此时DCR的标准差从原本的2.6–3.6 kHz降至0.1–0.5 kHz

目标DCR = 10 kHz的调节表现：

．调节前：DCR变异比为3.8
．调节后：DCR变异比进一步优化至1.5
．极端像素处理：对于原本DCR高达46 kHz的"噪声像素"，该技术能将其DCR成功抑制到约9 kHz，展现了对缺陷像素的修复能力

C. 系统级性能：宏像素的稳定性
研究团队进一步观察了整个宏像素（四个SPAD经OR门输出）在不同全局偏压VBias下的总DCR表现：

．偏压鲁棒性：未调节前，总DCR随着VBias增加而剧烈上升；调节后，总DCR不仅降低了近50%，且对偏压波动的敏感度显著降低

D. 电压调节范围与电路开销
．电压调节范围：本电路提供的VA调节范围为460 mV

．动态影响：仿真结果显示，引入补偿电流支路后，淬灭时间仅增加了约2%，对SPAD的高速工作几乎没有负面影响

推荐使用光焱科技SPD2200 

商用级SPAD单光子雪崩二极管效率整合型测试仪

七、总结：
开创SPAD阵列"性能一致性"的新路径

此研究成功展示了一种基于180 nm CMOS标准工艺的全集成自适应偏压电路，其核心贡献在于跳脱了传统"测量物理VBD"的繁杂路径，改以"暗计数率（DCR）"作为性能指标进行闭环反馈调控。

研究成果总结：

．卓越的均匀化能力：实验数据显示，该技术能将2×2宏像素内的DCR变异比从15.2降至4.1（针对2 kHz目标）以及从3.8降至1.5（针对10 kHz目标）

．强大的偏压鲁棒性：经过校准后的宏像素，其总体DCR不仅降低了约50%，且在偏压VBias波动时表现出更高的稳定性

．低硬件开销的智能化设计：通过复用16位计数器与调节控制器，不仅减少了电路面积（仅126 µm × 99 µm），还能将该计数器同时用于阵列的直方图统计，极大化了硬件利用效率

．缺陷像素的修复能力：对于因工艺缺陷导致暗电流极高的"噪声像素"，该电路能通过精细调节VEX将其噪声压制在可接受范围，避免了个别"热像素"损坏整个阵列的成像质量

未来应用前景：此技术展现了极佳的紧凑性与有效性，为未来大规模、高分辨率的LiDAR（激光雷达）、医学影像（如PET扫描）以及光学无线通信接收器的发展铺平了道路。

特别是在需要极高性能一致性的量子密钥分发（QKD）等领域，这种像素级的主动补偿机制将具有显著的技术竞争力。