当先进制程不再是唯一解：成熟180 nm CMOS能否打破SPAD成本瓶颈？

此研究证明了在不进行任何工艺改动的前提下，利用成熟且具成本效益的180nm标准CMOS工艺，可开发出高性能的单光子雪崩二极管。关键技术突破包括：

多样化护环拓扑设计：深入比较了利用深N阱实现垂直隔离与利用横向N阱间距形成自对准P阱护环的两种主体结构。

优化的性能指标：在1V过剩偏置电压下，实现了约10%的峰值光子探测概率和19,000 cps的暗计数率。

物理机制验证：通过发光测试直观证实了雪崩区域的均匀性，验证了护环设计对边缘击穿的抑制能力。

版图依赖效应分析：系统研究了硅化物层、接触孔位置以及N阱间距对器件电学与光学性能的量化影响。

此研究由韩国顶尖科研机构合作完成：
Woojin Jo 与 Hyun-Seung Choi（延世大学）：专攻SPAD器件物理、CMOS图像传感器及LiDAR传感器电路设计

Byungchoul Park教授（明知大学）：通讯作者，长期致力于SPAD、量子随机数生成器（QRNG）、光子计数图像传感器及飞行时间（ToF）传感器研发

在低光子通量探测领域，传统CMOS图像传感器受读出电路噪声、光电二极管暗电流及有限转换增益的限制，在短曝光或高帧率应用中信噪比与动态范围表现不佳。

SPAD工作在盖革模式（Geiger mode），反向偏置于击穿电压（V_BR）之上，单个光子触发的电子-空穴对即可引发连锁雪崩倍增，产生可检测的数字脉冲，消除了读出噪声并提供皮秒级时间分辨率。

当前面临的主要挑战：
1.工艺优化与成本矛盾：先进工艺节点虽提供紧凑像素，但开发成本高且盖革模式下电压余量受限

2.标准工艺适配性：在不修改掺杂浓度等工艺参数的情况下，如何设计出防止边缘击穿的护环结构

3.寄生效应控制：成熟工艺节点面临较大器件寄生效应、潜在高暗计数率及淬灭/充电电路的面积开销

针对标准180nm CMOS工艺缺乏专用SPAD层的限制，研究团队提出两种主体结构方案：

结构A：深N阱垂直隔离方案 在N阱下方引入深N阱层，提供与P型衬底的垂直电学隔离，并在有源结周围诱导形成P阱护环。

这种垂直与横向结合的隔离策略有利于维持雪崩区域电场的均匀分布。

结构B：自对准P阱护环方案 舍弃深N阱，利用两个相邻N阱之间的横向间距。标准CMOS工艺中N阱以外区域会自动填充P阱，通过精确控制N阱间距可形成自对准P阱护环。

研究团队设计了25种子结构进行对比分析：
1.N阱间距：0.6 µm、1.0 µm与1.5 µm三种跨度，研究对电场分布及DCR的影响
2.深N阱边界对齐：比较N阱边界向外延伸1.5 µm与完全对齐的差异
3.硅化物层处理：在光敏区域移除硅化物层以减少光子吸收
4.接触孔位置：对比中心接触与边缘接触对光学遮蔽效应的影响

器件制备：严格遵循180nm标准工艺PDK规则，采用八角形布局近似圆形以避免直角处电荷积累。SPAD的P-well/N-well结宽度为10 µm，八角形每边长5 µm，有效有源面积约87.5 µm²。

淬灭与充电电路：采用被动淬灭方式，在SPAD阴极串联100 kΩ电阻（安装在PCB背面以最小化寄生效应）。雪崩触发时电阻限制电流并降低偏置电压，待雪崩停止后缓慢恢复至过剩电压。

光学表征平台：
光源：氙灯提供宽谱白光
单色仪：选取400-900 nm特定波长，步长50 nm
积分球：确保光强分布均匀，并将光束分至参考光电二极管与待测SPAD
脉冲统计：利用宽带示波器记录定义积分时间内的雪崩脉冲数量
电学表征：高精度源表进行I-V曲线测试，电压扫描范围8-12V，电流限值10 mA，分暗态与微弱光照环境测试。

（1）电学表征：I-V曲线与击穿电压
团队将VBR定义为电流导数达到最大值处的偏置电压，测得约9.8 V。采用深N阱结构的器件表现出陡峭且稳定的电流跃迁，显示良好的雪崩倍增效应。

未使用深N阱而仅靠横向N阱间距（<0.6 µm）形成护环的结构，暗态与光照下I-V曲线几乎重合，表明护环形成失败，发生了过早边缘击穿，无法进入盖革模式。

（2）噪声表征：暗计数率分析
在Vex = 1V条件下，标准结构DCR为19,000 cps。实验发现：
N阱间距及N阱与深N阱边界对齐程度对DCR影响甚微
移除硅化物层后DCR反而增加，可能由于Si/SiO₂界面附近表面态或缺陷增加
接触孔位于中心或边缘，对DCR无显著影响

（3）光学表征：全光谱PDP优化
在400-900 nm波段进行全光谱测试：
在Vex = 1V、波长550 nm处，非硅化物结构实现9.94%的峰值PDP
非硅化物结构PDP明显优于硅化物结构，因消除了金属硅化物对入射光的吸收
边缘接触结构相比中心接触，PDP提升约8%，因消除了光敏区中心金属遮挡并维持更均匀电场分布

（4）物理验证：发光测试
LET实验中观察到光点均匀分布于整个P-well/N-well有源区域而非集中在边缘，有力证明护环设计成功抑制了边缘电场集中，确保整个有源区均参与雪崩倍增。

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

研究团队在180nm标准FSI工艺下确定的最优SPAD设计参数：
物理结构：采用深N阱实现垂直隔离，配合1 µm N阱间距形成稳定自对准P阱护环

电学性能：VBR = 9.8 V；DCR = 19,000 cps（@ Vex = 1V）
光学性能：PDP = 9.94%（@ 550 nm, Vex = 1V）；有源面积 = 87.5 µm²

非硅化物处理和边缘接触是提升PDP的关键，通过优化光学效率与减少场干扰，可进一步提升约8%的PDP。