突破近红外探测极限：基于40nm堆栈式CIS技术与掺杂工程的背照式SPAD在905nm实现60%峰值PDP

2026-01-09 14:15:33, 光电传感器量测光焱科技股份有限公司

1. 研究成就与核心突破

此研究在单光子探测领域取得突破性进展，特别针对自动驾驶LiDAR与AR/VR所需的近红外(NIR)波段。核心成就包括：

光子探测率(PDP)创新高：在2.5V过量偏压下，于905nm波长实现60% PDP，940nm达到44%。
优异噪声控制：暗计数率(DCR)仅15 cps/µm²，实现高效率与低噪声兼得
卓越时间分辨率：时间抖动低至97ps(FWHM)，满足高精度测距需求
先进工艺节点：采用40nm堆栈式CIS技术，有利于高密度像素集成

2. 研究团队与背景

此研究由韩国科学技术院(KIST)的Eunsung Park与Myung-Jae Lee教授领导，联合韩国延世大学、SK海力士CIS部门及瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)共同完成。

这种产学研深度合作，结合了学界在器件物理上的创新与产业界在40nm CIS工艺上的成熟经验。

NIR探测的技术瓶颈

单光子传感器在LiDAR、夜视、生物成像及XR技术中扮演关键角色。对于905nm与940nm等NIR波段，传统硅基SPAD面临三大挑战：

1.硅对NIR吸收率低：NIR波段的吸收长度较长，传统前照式(FSI)结构因外延层厚度不足，导致大量光子穿透而无法转化为信号

2.填充因子与效率的权衡：为防止边缘击穿，保护环(GR)结构占据大量面积，限制有效活性区域

3.工艺微缩的噪声压力：40nm深亚微米工艺中，应力与缺陷控制困难，易导致DCR急剧上升

文献发表前，虽有基于90nm、65nm或45nm CIS工艺的背照式SPAD报道，但多数难以在保持低抖动的同时将905nm的PDP提升至40%以上。

3. 核心技术：基于掺杂工程的有效活性区域扩展

针对填充因子与探测效率的权衡难题，研究团队提出系统性解决方案，核心在于掺杂优化工程。

传统设计中，保护环区域为防止边缘击穿，被视为"死区"，不参与光子雪崩倍增。此研究的创新策略：

保护环与阳极的掺杂调控：通过精细优化GR及阳极区域的p型掺杂浓度，在不引发边缘击穿前提下，将雪崩倍增区域扩展至整个GR区域

电场分布重塑：利用TCAD模拟引导设计，使电场在平面结处达到最高，诱导载流子流向该区域，最大化光生载流子的触发概率

光学路径强化：结合背面减薄技术、抗反射涂层及金属反射镜，增加光子在硅层内的有效光程，补偿硅对NIR吸收系数不足

4. 器件制备与工艺开发

研究采用40nm堆栈式CMOS图像传感器(CIS)技术，为目前SPAD实现中最领先的节点之一。

4.1 关键工艺步骤
背照式(BSI)结构制程：通过背面减薄与刻蚀工艺，精确控制硅外延层厚度，保留约3-4µm厚度，为NIR光子吸收提供必要空间。
PN结结构设计：核心PN结由位于p型区域上的浅层n型区域组成，主结直径5µm，环绕边缘设计1.5µm宽度的保护环结构。

4.2 TCAD模拟验证
研究团队进行了有无掺杂优化的电场剖面对比模拟(Fig. 2)，发现：
优化后的SPAD在高偏压下展现更宽的雪崩倍增区
载流子流更加理想，绝大多数载流子被引导至电场最强的平面结区域，而非在低电场区复合

4.3 发光测试(LET)直接验证
利用显微镜观察SPAD在雪崩状态下的发光情况(Fig. 3)。关键发现：优化后的SPAD发光面积明显更大且强度更高，直接证实有效活性区域已从核心结扩展至保护环区域。

5. 器件性能表征

5.1 光子探测率(PDP)的飞跃
在2.5V过量偏压下，器件于905nm波长实现60% PDP，940nm达到44%。对比分析(Fig. 4 & 12)显示，与未经掺杂优化的器件相比，PDP提升两倍以上。

这归功于有效活性区域从5µm主结扩展到8µm保护环区域，增加了光子捕获与触发雪崩的概率。

5.2 击穿电压(BDV)与温度稳定性
I-V特性：器件展现极低暗电流(数pA级)，击穿特性陡峭
击穿电压：室温下约21.2V
温度系数：在0°C至60°C范围内，温度系数仅15mV/K，显示出优异的热稳定性，这对LiDAR在户外极端环境下的应用至关重要

5.3 暗计数率(DCR)与物理机制
室温、2.5V过量偏压下，DCR仅15 cps/µm²。通过Arrhenius图分析(DCR vs. 1/T)，提取的活化能为0.837eV，表明暗计数主要来源于Shockley-Read-Hall(SRH)热生成过程，反映了40nm CIS工艺对缺陷与应力的良好控制。

5.4 时间抖动与空间均匀性
利用时间相关单光子计数(TCSPC)技术及940nm皮秒脉冲激光测量，在2.5V过量偏压下，时间抖动(FWHM)低至97ps，确保LiDAR系统具备厘米级距离分辨率。

激光扫描显微镜(LSM)表征显示，活性区域延伸至保护环区,FWHM轮廓约8µm，有力支持了电场优化理论。

5.5 竞争力对比
与近年IEDM等顶级会议发表的先进BSI SPAD对比(Fig. 14, 15 & Table I)，此研究在905nm波段提供的60% PDP远高于文献报道的6.5%-31.9%水平，且在40nm更先进节点上，维持了与90nm工艺相当甚至更优的抖动与DCR表现。