InGaAs單光子雪崩焦平面研究進(jìn)展

單光子探測器是一種可檢測單個(gè)光子能量的高靈敏度器件。按工作原理不同，單光子探測器可分為光電倍增管（PMT）、超導(dǎo)單光子探測器（SSPD）和單光子雪崩光電二極管（SPAD）。

SPAD是一類利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部載流子的雪崩倍增效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測的光電器件，工作在蓋革模式，其工作電壓高于擊穿電壓，內(nèi)部增益可達(dá)到10?~10?，可進(jìn)行單光子級(jí)信號(hào)探測。目前，技術(shù)相對(duì)成熟的是Si材料SPAD和InGaAs材料SPAD。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光譜范圍內(nèi)有高量子效率，是1.06、1.55 μm主動(dòng)激光探測的理想探測器。

InGaAs單光子雪崩焦平面基于陣列化技術(shù)，將高效率InGaAs SPAD陣列芯片與CMOS計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)讀出電路芯片集成封裝，可對(duì)光子信號(hào)進(jìn)行時(shí)間量化，具有高靈敏、高精度、小體積、全固態(tài)的特點(diǎn)，在激光三維成像、遠(yuǎn)距離激光通信、稀疏光子探測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是近年來單光子探測領(lǐng)域的研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，重慶光電技術(shù)研究所與量子通信核心光電器件重慶重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“InGaAs單光子雪崩焦平面研究進(jìn)展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為崔大健正高級(jí)工程師，主要從事InGaAs單光子雪崩焦平面技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面的研究工作。

文中首先介紹了InGaAs單光子雪崩焦平面的結(jié)構(gòu)及基本原理，結(jié)合筆者單位工作回顧了國內(nèi)外單光子雪崩焦平面技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了討論和展望。

InGaAs單光子雪崩焦平面結(jié)構(gòu)及基本原理

InGaAs單光子雪崩焦平面通常采用PGA封裝（PGA），結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。InGaAs SPAD陣列芯片和CMOS讀出電路經(jīng)銦柱倒裝互連，并與微透鏡進(jìn)行耦合。芯片貼裝在陶瓷基板上，TEC制冷器（TEC）對(duì)芯片進(jìn)行制冷，降低芯片溫度。管殼與陣列芯片通過金絲進(jìn)行電連接。入射光子經(jīng)芯片匯聚到吸收層有源區(qū)，被吸收后轉(zhuǎn)化成電子-空穴對(duì)，載流子在內(nèi)部電場作用下遷移到倍增層。

由于InGaAs SPAD陣列芯片工作在擊穿電壓之上的過偏壓蓋革模式下，倍增層高電場促使載流子在倍增層迅速碰撞離化引發(fā)雪崩，產(chǎn)生宏觀電流并傳輸?shù)紺MOS讀出電路。CMOS讀出電路提供像素級(jí)電接口，對(duì)單像素產(chǎn)生的雪崩電流進(jìn)行檢測并淬滅，輸出經(jīng)時(shí)間量化的信號(hào)。微透鏡通過高精度對(duì)準(zhǔn)連接到背照式SPAD陣列芯片，確保高填充因子。InGaAs單光子雪崩焦平面的核心是SPAD陣列芯片和CMOS讀出電路芯片，直接決定了器件的性能。

圖1 InGaAs單光子雪崩焦平面結(jié)構(gòu)示意圖

SPAD陣列芯片

InGaAs SPAD陣列芯片的縱向器件結(jié)構(gòu)通常采用的是吸收層、能帶漸變層、電場控制層和雪崩倍增層分離的SAGCM外延結(jié)構(gòu)，可以在InP襯底之上依次順序（頂部為P型接觸層的P-i-N結(jié)構(gòu)）或者逆序排列（頂部為N型接觸層的N-i-P結(jié)構(gòu)）。各功能層作用如下：

（1）吸收層根據(jù)入射光的工作波長，InGaAs材料的禁帶寬度為0.74 eV，長波截止吸收波長為1.7 μm。

（2）電場控制層用于調(diào)控縱向電場分布，通過提高倍增層電場促進(jìn)雪崩碰撞離化，抑制吸收層電場降低隧穿概率。通常電荷濃度越高，倍增層與吸收層電場差異越大；

（3）過渡層主要是降低吸收層載流子向倍增層渡越的價(jià)帶勢壘，消除異質(zhì)界面結(jié)空穴積累效應(yīng)；

（4）倍增層使得載流子在其中發(fā)生雪崩碰撞離化從而實(shí)現(xiàn)高增益，采用的InP（Eg~1.35 eV）材料，倍增層厚度一般在0.8~1.4 μm。

InGaAs SPAD陣列芯片的橫向器件結(jié)構(gòu)主要分為平面型和臺(tái)面型兩種。

（1）平面型SPAD器件結(jié)構(gòu)通常采用掩埋P-N結(jié)，通過光刻SiNx介質(zhì)膜圖形來確定Zn摻雜的擴(kuò)散區(qū)域以及有源區(qū)，并使用兩次擴(kuò)散來調(diào)整P-N結(jié)輪廓，以使結(jié)在有源區(qū)的中心部分比在結(jié)外圍更深，這種設(shè)計(jì)確保了有源區(qū)中心部分的增益分布是均勻的，且高于邊緣外圍區(qū)域增益，確保邊緣擊穿抑制、低暗電流（<1 nA）和高可靠性。在陣列像元間刻蝕了深度達(dá)到緩沖層的隔離槽，一方面防止像素陣列間二次電致光子的光學(xué)串?dāng)_，另一方面阻斷吸收層載流子橫向的電學(xué)串?dāng)_。平面結(jié)構(gòu)還包括了與像元有源區(qū)中心對(duì)準(zhǔn)的正面In柱和背面增透膜，分別用于CMOS讀出電路倒裝互連和探測器芯片背照進(jìn)光。倍增層需使用擴(kuò)散及摻雜工藝，因此平面結(jié)構(gòu)采用倍增層在上，吸收層在下的P-i-N結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 平面型SPAD芯片結(jié)構(gòu)示意圖

（2）臺(tái)面型SPAD器件結(jié)構(gòu)的P-N結(jié)通過外延生長而成，吸收區(qū)在倍增區(qū)上方，如圖3所示。與通過擴(kuò)散摻雜來限定有源區(qū)的平面結(jié)構(gòu)不同的是，其有源區(qū)邊緣由臺(tái)面的蝕刻結(jié)構(gòu)確定。臺(tái)面刻蝕工藝一般選用各向同性的非選擇性腐蝕溶液進(jìn)行濕法刻蝕，能夠在側(cè)壁形成光滑連續(xù)坡面。一方面，該坡面便于有機(jī)和無機(jī)介質(zhì)在側(cè)壁表面形成良好覆蓋，提高鈍化效果；另一方面，該斜坡結(jié)構(gòu)能夠增大底部倍增層橫向?qū)挾?，利用中心有源區(qū)到邊緣的距離，降低高電場倍增層側(cè)壁邊緣的電場，減小暗電流。臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用n?型InP襯底，除臺(tái)面以外的材料都會(huì)被去濕法刻蝕除掉，形成相互隔離的像元。

圖3 臺(tái)面型SPAD芯片結(jié)構(gòu)示意圖

CMOS讀出電路芯片

CMOS讀出電路的功能是用于檢測、時(shí)間量化以及淬滅SPAD芯片產(chǎn)生的雪崩信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)器件功能的重要部分。InGaAs單光子雪崩焦平面的讀出電路最早由林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，其基本框圖結(jié)構(gòu)如圖4所示。CMOS讀出電路芯片的單像素電路包括前端電路、計(jì)時(shí)電路和用于控制像素工作狀態(tài)的像素控制電路。前端電路包括：為SPAD提供電壓偏置的偏置電路、用于快速檢測雪崩事件的鑒別器電路以及淬滅電路。計(jì)時(shí)電路用于光子飛行時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換，其輸入與鑒別器的輸出相連。像素控制器相當(dāng)于有限狀態(tài)機(jī)，用于控制SPAD偏置到過偏壓狀態(tài)、低功耗等待狀態(tài)、非使能狀態(tài)等。當(dāng)前端電路檢測到雪崩事件后，淬滅電路快速淬滅SPAD并進(jìn)入等待狀態(tài)，經(jīng)過預(yù)設(shè)時(shí)間后像素控制電路控制SPAD進(jìn)入過偏壓狀態(tài)，預(yù)設(shè)時(shí)間的長短將直接影響后脈沖的發(fā)生概率。

圖4 讀出電路基本框圖

InGaAs單光子雪崩焦平面的進(jìn)展

InGaAs單光子雪崩焦平面的關(guān)鍵指標(biāo)包括陣列規(guī)模、像元中心距、探測效率、暗計(jì)數(shù)率、時(shí)間抖動(dòng)、累積串?dāng)_概率、時(shí)間分辨率等。下面圍繞這些指標(biāo)，從SPAD陣列芯片、讀出電路兩方面的進(jìn)展進(jìn)行介紹。

SPAD陣列芯片研究進(jìn)展

陣列規(guī)模與中心距

SPAD陣列芯片的陣列規(guī)模和中心間距決定了器件的空間分辨率。更大陣列規(guī)模、更小中心間距可以獲得更清晰的目標(biāo)信息。早期MIT-LL的Heinrichs等人采用橋接互連方式，將單個(gè)CMOS讀出電路芯片與SPAD晶圓通過環(huán)氧樹脂面對(duì)面貼合。這種方式通過水平爬坡電極將CMOS讀出電路芯片與SPAD芯片進(jìn)行電連接，占用面積較大。2011年，Itzler等人研制了128×32規(guī)格InGaAs單光子雪崩焦平面，該器件通過器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及銦柱互連的方式縮小了像元尺寸，像元間距減小到50 μm ，如圖5所示。Younger等人新設(shè)計(jì)器件的目標(biāo)是將像元間距進(jìn)一步減小到25 μm，陣列規(guī)模為256×256。國內(nèi)方面，重慶光電技術(shù)研究所研制的64×64 InGaAs單光子雪崩焦平面如圖6所示，像元間距為50 μm，探測效率20%，暗計(jì)數(shù)率10 kHz，時(shí)間分辨率小于1 ns，目前已成功擴(kuò)展到256×64，性能參數(shù)如表1所示。

表1 InGaAs單光子雪崩焦平面參數(shù)

大陣列小間距SPAD陣列芯片的發(fā)展主要受限于小間距的單元器件設(shè)計(jì)和陣列芯片工藝。主要手段包括：（1）采用高效率光敏芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并縮小像元尺寸；（2）采用像元間有效隔離結(jié)構(gòu)抑制串?dāng)_；（3）采用高質(zhì)量表面鈍化降低暗電流；（4）采用高質(zhì)量外延及結(jié)擴(kuò)散工藝，保證陣列芯片一致性；（5）提高小像元下微透鏡的耦合效率。

串?dāng)_抑制

對(duì)于大陣列器件，串?dāng)_是影響成像質(zhì)量的重要因素。由于SPAD的高增益特性，鄰近像元產(chǎn)生的極少量光子或漂移電流都可能導(dǎo)致雪崩觸發(fā)。串?dāng)_主要來源于電串?dāng)_和光串?dāng)_。像元間的深槽可以有效隔離電串?dāng)_。而光串?dāng)_主要來源于入射雜散光、鄰近像元的倍增區(qū)中熱載流子熒光輻射的次級(jí)光子，這些非信號(hào)光通過背面反射和橫向渡越傳播到相鄰像元，如圖7（a）所示。倍增區(qū)中熱載流子熒光輻射光譜主要分布在900~1000 nm附近，如圖7（b）所示。Acerbi等人采用平面隔離溝道的方式，將串?dāng)_概率控制在5%~15%左右。

2009年，Younger等人通過在陣列芯片上設(shè)置光譜濾波層和空間濾波層的方法，用光譜濾波層直接將950 nm范圍附近的熒光輻射次級(jí)光子吸收掉，配合空間濾波層減少串?dāng)_光子數(shù)，使過偏壓2.4 V下的串?dāng)_從~1%降低至~0.1%，串?dāng)_概率下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖7（c）所示。但在高偏壓下，依然存在串?dāng)_概率大的問題。2018年，Diagne等人進(jìn)一步開發(fā)了結(jié)合襯底移除的像元隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)像元正面和背面的完全隔離，切斷了次級(jí)光子傳播的路徑，使串?dāng)_概率下降約150倍，同時(shí)將光譜響應(yīng)拓展到可見光波段。2020年，Yuan等人基于III-V族化合物工藝平臺(tái)研制的InGaP蓋革雪崩焦平面，也采用了該像元隔離技術(shù)，使雪崩焦平面在高探測效率下，仍然能夠有效抑制陣列像素的串?dāng)_。

圖7 （a）串?dāng)_來源示意圖；（b）SPAD自發(fā)輻射光譜；（c）串?dāng)_抑制

探測效率與暗計(jì)數(shù)

為提升InGaAs單光子雪崩焦平面的探測效率、暗計(jì)數(shù)等性能參數(shù)，研究人員做了諸多努力。探測效率方面，Donnelly等人通過建立數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了SPAD器件結(jié)構(gòu)中各材料層參數(shù)對(duì)光電性能的影響。重慶光電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了一種增強(qiáng)吸收SPAD結(jié)構(gòu)，將單光子探測效率提升了20%，最高探測效率達(dá)到60%。

在減少暗計(jì)數(shù)方面，提高外延材料質(zhì)量也是實(shí)現(xiàn)高性能器件的重要方式。Chapman等人研究了有機(jī)金屬氣相外延的生長溫度、生長速率和V/III比值等工藝條件，使InGaAsP/InP材料300 K下的暗計(jì)數(shù)降低44%。

CMOS讀出電路及應(yīng)用進(jìn)展

InGaAs單光子雪崩焦平面是一種光子信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的陣列探測器，針對(duì)光子信號(hào)的種類與獲取頻率等不同功能的定制方案可以滿足多種不同的應(yīng)用需求，包括激光雷達(dá)、超遠(yuǎn)距離激光通信和稀疏光子成像等。其中讀出電路芯片是不同方案的主要差異，其負(fù)責(zé)完成焦平面除光電轉(zhuǎn)換外的其他功能的定義與實(shí)現(xiàn)。

激光雷達(dá)

快閃型激光雷達(dá)系統(tǒng)通過用激光短脈沖照射目標(biāo)場景并在焦平面上接收反射回來的激光脈沖信號(hào)完成成像，焦平面上每個(gè)像素獨(dú)立完成回波脈沖的“光子飛行時(shí)間”測量，經(jīng)數(shù)據(jù)算法處理后獲得空間深度三維圖像。其中激光回波的探測由SPAD陣列芯片實(shí)現(xiàn)，其輸出行為近似于光控?cái)?shù)字開關(guān)，有光時(shí)輸出為“1”，無光時(shí)輸出為“0”，即便是單個(gè)“光子”量級(jí)的信號(hào)，其響應(yīng)速度也可達(dá)皮秒級(jí)，因此，其極其適合需要精確量化“光子飛行時(shí)間”的應(yīng)用。像素電路實(shí)現(xiàn)類似計(jì)時(shí)秒表功能，激光發(fā)射時(shí)開始計(jì)時(shí)，在檢測到回波光子事件后停止計(jì)時(shí)，在激光脈沖之間的時(shí)間間隔（數(shù)十微秒級(jí)）中讀出計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，較長的時(shí)間間隔可以有效抑制后脈沖，但也會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)用焦平面只能工作在低時(shí)間占空比情況下。

用于激光雷達(dá)的陣列讀出電路像元結(jié)構(gòu)如圖8所示。讀出電路采用數(shù)字計(jì)數(shù)器記錄計(jì)時(shí)時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)的原理完成時(shí)間測量，但是時(shí)鐘頻率會(huì)限制時(shí)間精度；為了降低計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率，采用帶游標(biāo)位的多段時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器方案實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘相位的細(xì)計(jì)數(shù)，完成亞ns級(jí)以上的計(jì)時(shí)精度；計(jì)時(shí)時(shí)鐘采用500 MHz，細(xì)計(jì)數(shù)采用4相位就可以實(shí)現(xiàn)0.5 ns的分辨率。

圖8 激光雷達(dá)用像素電路原理結(jié)構(gòu)圖

隨著陣列規(guī)模的擴(kuò)展，能效比提升在讀出電路架構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性逐步增加。目前讀出電路的主流工藝節(jié)點(diǎn)為180 nm CMOS。相比早期的讀出電路架構(gòu)（350 nm），其能效比得到大幅提高。在遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)應(yīng)用中，每幀的光子事件比較稀疏，三維圖像通常使用多個(gè)幀的疊加處理來構(gòu)建。最新的讀出電路架構(gòu)設(shè)計(jì)中利用了這種稀疏檢測的特性，計(jì)時(shí)電路采用光子事件驅(qū)動(dòng)計(jì)時(shí)的方案，只有檢測到光子事件的像素計(jì)時(shí)電路才開始計(jì)時(shí)工作，所有像素統(tǒng)一結(jié)束計(jì)時(shí)，并在讀出狀態(tài)讀出像素?cái)?shù)據(jù)。讀出中還在讀出數(shù)據(jù)流中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)減薄算法，使功耗、數(shù)據(jù)量與陣列中活動(dòng)像素?cái)?shù)成正比。傳統(tǒng)方案由于功耗限制其幀頻只設(shè)計(jì)到20 kf/s的幀速率，而該方案的幀速率可以隨著光子事件越來越稀疏而增加，在每幀有1000個(gè)光子事件的稀疏度下，最大可以接近150 kf/s的幀速率，同時(shí)大幅降低功耗。

高時(shí)間分辨率和高幀頻帶來了更高的測繪精度和掃描速度。2011年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的機(jī)載激光雷達(dá)成像研究試驗(yàn)臺(tái)（ALIRT），采用128×32 InGaAs單光子雪崩焦平面，在海拔9000 m下對(duì)大峽谷（高程差1000~2500 m）進(jìn)行快速高分辨率廣域地形測繪，掃描速度達(dá)到2000 km2/h、分辨率可以達(dá)到10 cm級(jí)，可以清晰分辨輪廓細(xì)節(jié)（圖9）。2017年，MIT林肯實(shí)驗(yàn)室基于256×64 InGaAs單光子雪崩焦平面開發(fā)了機(jī)載光學(xué)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（AOSTB），實(shí)現(xiàn)了對(duì)哈維颶風(fēng)救災(zāi)現(xiàn)場的快速成像，目標(biāo)分辨率精度達(dá)到0.25 m。

圖9 美國大峽谷的激光雷達(dá)成像圖

超遠(yuǎn)距離激光通信

InGaAs單光子雪崩焦平面還可作為自由空間光通信鏈路的接收機(jī)，利用脈沖位置調(diào)制（PPM）格式完成發(fā)射信號(hào)調(diào)制，接收到的到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)解調(diào)。相比于經(jīng)典的相干通信系統(tǒng)，其接收機(jī)具有捕獲跟蹤通信一體化、體積小、探測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，在超遠(yuǎn)距離激光通信優(yōu)勢明顯，NASA已用于火星激光通信MLCD（約2億公里）、月地激光通信LLCD（約40萬公里）等驗(yàn)證項(xiàng)目，激光通信系統(tǒng)及接收鏈路如圖10所示。

圖10 激光通信系統(tǒng)及接收鏈路示意圖

2013年，NASA完成了世界上第一個(gè)月球軌道與地面的雙向激光通信鏈路，采用基于8×8異步讀出InGaAs單光子雪崩焦平面的小型化激光終端（FLT），最高上行傳輸速率達(dá)到622 Mbps。同期，NASA近地應(yīng)用高速激光通信旗艦項(xiàng)目—激光通信中繼演示項(xiàng)目（LCRD），其飛行有效載荷托管在一顆商業(yè)通信衛(wèi)星上，由太空中的兩個(gè)激光通信終端組成，同時(shí)支持近地激光通信和深空激光通信。

與激光雷達(dá)用讀出電路一樣，激光通信用讀出電路同樣需要完成高精度的時(shí)間量化功能。然而光通信應(yīng)用中信號(hào)光子到達(dá)的時(shí)間間隔平均比激光雷達(dá)脈沖之間的時(shí)間短三個(gè)數(shù)量級(jí)，這就需要更短讀出時(shí)間與更大數(shù)據(jù)量，否則會(huì)導(dǎo)致光子信號(hào)的堵塞現(xiàn)象。

為了解決這一問題，林肯實(shí)驗(yàn)室于2004年報(bào)道了基于事件驅(qū)動(dòng)讀出方法設(shè)計(jì)的8×8光子計(jì)時(shí)異步讀出電路陣列。在每個(gè)PPM幀中，像素采用與激光雷達(dá)讀出電路相同的方法標(biāo)記光子到達(dá)時(shí)間。當(dāng)每一行像素需要讀出時(shí)，僅將發(fā)生光子事件的像素串入讀出數(shù)據(jù)流。當(dāng)下一個(gè)PPM幀開始時(shí)，沒有獲取光子事件的像素仍然處于活動(dòng)狀態(tài)，而上一幀獲取光子事件的像素則進(jìn)入等待模式以便抑制后脈沖。該芯片采用350 nm CMOS工藝技術(shù)制造并與一個(gè)8×8 SPAD陣列混合集成。在美國宇航局火星激光通信演示系統(tǒng)中，在非常高的背景光干擾的情況下，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)光子兩位的數(shù)據(jù)速率。

和激光雷達(dá)用讀出電路的情況一樣，激光通信用讀出電路同樣需要擴(kuò)展到更大的陣列，并抑制功耗的增加。這一需求推動(dòng)下，國外已經(jīng)開發(fā)出32×32陣列的規(guī)格產(chǎn)品，并繼續(xù)開發(fā)256×256等更大規(guī)格陣列。32×32異步讀出電路體系結(jié)構(gòu)如圖11所示，通過引入像素禁用、感興趣區(qū)域、計(jì)時(shí)信息與空間位置信息分開等方案與手段，進(jìn)一步提高的事件驅(qū)動(dòng)讀出的能效比。

圖11 32×32異步讀出電路體系結(jié)構(gòu)框圖

該設(shè)計(jì)方案中，每個(gè)像素都包含計(jì)時(shí)信息與空間位置信息兩種數(shù)據(jù)信息，每一行數(shù)據(jù)讀出時(shí)會(huì)分為兩個(gè)數(shù)據(jù)流。第一個(gè)數(shù)據(jù)流是顯示所有光子事件的像素位置圖，第二個(gè)是帶有嵌入位置信息的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)包。該讀出電路還具有像素禁用選項(xiàng)，可以指定任一像素只輸出像素位置圖數(shù)據(jù)，而不輸出時(shí)間信息，這些特性可用于在不需要全部像素?cái)?shù)據(jù)時(shí)減少功耗與輸出數(shù)據(jù)量。

稀疏光子成像

雪崩焦平面的另一類應(yīng)用是統(tǒng)計(jì)到達(dá)每個(gè)像素上的光子個(gè)數(shù)。這些應(yīng)用不需要精確的計(jì)時(shí)分辨率，而是需要高探測效率和低暗計(jì)數(shù)率。傳統(tǒng)的焦平面或圖形傳感器是通過每幀內(nèi)測量一段積分時(shí)間的光子個(gè)數(shù)來進(jìn)行強(qiáng)度測量，通過調(diào)節(jié)積分電容大小完成增益調(diào)節(jié)；基于蓋革模式的被動(dòng)成像也類似，通過對(duì)一段固定時(shí)間的光子數(shù)進(jìn)行多次測量完成積分過程，統(tǒng)計(jì)疊加生成強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)，其可以通過調(diào)節(jié)固定時(shí)間大小實(shí)現(xiàn)近似增益調(diào)節(jié)。

稀疏光子成像用讀出電路中的每個(gè)像素都有一個(gè)計(jì)數(shù)器代替其他讀出電路中的計(jì)時(shí)電路，當(dāng)檢測光子事件發(fā)生時(shí)，該計(jì)數(shù)器會(huì)增加計(jì)數(shù)。其難點(diǎn)是降低像素面積并提高陣列規(guī)模；降低像素面積一般通過改進(jìn)計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)與更先進(jìn)的流片工藝實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)難點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)范圍，文獻(xiàn)中報(bào)道了多種方案包括計(jì)數(shù)溢出位、多統(tǒng)計(jì)時(shí)間數(shù)據(jù)疊加等。

圖12所示為典型的溢出位被動(dòng)成像讀出電路結(jié)構(gòu)，包括SPAD接口電路、SPAD狀態(tài)寄存電路及7 bit計(jì)數(shù)器。接口電路與其他讀出電路類似，包括偏置與檢測電路；狀態(tài)寄存電路存儲(chǔ)每段統(tǒng)計(jì)時(shí)間的SPAD狀態(tài)信息；計(jì)數(shù)器記錄每幀光子事件的達(dá)到次數(shù)，計(jì)滿后復(fù)位重新開始計(jì)數(shù)，溢出位記錄計(jì)數(shù)器計(jì)滿的狀態(tài)，積分中單獨(dú)讀出后復(fù)位；讀出的數(shù)據(jù)通過行列尋址讀出到像素外相應(yīng)像素的存儲(chǔ)位，積分中累加的值作為該像素高位計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。在積分結(jié)束時(shí)，如果7位計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)對(duì)像素外高位數(shù)據(jù)值的貢獻(xiàn)小于暗噪聲，則可以讀出或丟棄7位計(jì)數(shù)器中的殘余數(shù)據(jù)。該溢出讀出方案有效地?cái)U(kuò)展了像素中計(jì)數(shù)位數(shù)。

圖12 帶溢出位被動(dòng)成像讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖

百萬像素InGaAs單光子雪崩焦平面面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)及未來展望

激光雷達(dá)、遠(yuǎn)距離激光通信、稀疏光子成像以及未來新應(yīng)用場景，對(duì)更大規(guī)模、更小像素、更高性能，以及更多功能的InGaAs單光子雪崩焦平面提出了要求。為了實(shí)現(xiàn)百萬像素級(jí)InGaAs單光子雪崩焦平面，需要面對(duì)SPAD陣列芯片、讀出電路芯片、封裝互連方式等諸多挑戰(zhàn)，具體包括：

（1）SPAD陣列芯片方面，未來InGaAs單光子雪崩焦平面的陣列規(guī)模會(huì)達(dá)到1 k × 1 k以上。為了在高密度、小尺寸像元下還能實(shí)現(xiàn)高增益、高計(jì)數(shù)率、低噪聲、低串?dāng)_，需要研究一些新型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如納米SPAD結(jié)構(gòu)、集成負(fù)反饋電阻結(jié)構(gòu)（NFAD）、瞬態(tài)載流子勢壘層（TCB）自淬滅結(jié)構(gòu)、集成微諧振腔結(jié)構(gòu)等。為了提高視場角和填充因子，超透鏡、自由曲面透鏡等新型微透鏡類型也在研究中。同時(shí)，陣列均勻性也是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。MIT-LL已經(jīng)驗(yàn)證了6 in（1 in=2.54 cm）InP晶圓工藝在提高SPAD陣列均勻性方面的優(yōu)勢，未來在6 in InP工藝平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)3D集成、高密度封裝變得越來越有吸引力。

（2）受限于SPAD芯片的淺制冷工作環(huán)境和讀出電路本身的特點(diǎn)，讀出電路的設(shè)計(jì)受到挑戰(zhàn)主要有三點(diǎn)如下：1）動(dòng)態(tài)功耗問題，讀出電路存在功耗周期性大幅跳變的特點(diǎn)，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)功耗遠(yuǎn)大于同等規(guī)模的其他大規(guī)模集成電路，功耗大幅跳變會(huì)導(dǎo)致電源電壓極度不穩(wěn)定，造成數(shù)據(jù)丟失和損壞等問題；2）深亞微米工藝的偏置電壓問題，標(biāo)準(zhǔn)深亞微米工藝中一般只能提供3.3 V的IO電壓，無法滿足SPAD陣列芯片高探測效率和小像素的應(yīng)用需求；3）總輸出帶寬，讀出電路的最大數(shù)據(jù)量隨著陣列規(guī)模增長線性增長，大陣列高幀頻帶來超大數(shù)據(jù)量讀出必定會(huì)帶來功耗、工藝、設(shè)計(jì)復(fù)雜度等問題。

（3）面對(duì)一些新的探測需求，如可重構(gòu)探測、主被動(dòng)復(fù)合探測等，InGaAs單光子雪崩焦平面的發(fā)展需要不斷融合創(chuàng)新架構(gòu)、創(chuàng)新算法。目前國際上已經(jīng)出現(xiàn)了多種新型讀出電路架構(gòu)以及針對(duì)偏置電壓和像素小型化問題提出了SPAD芯片、模擬電路與數(shù)字電路采用不同工藝三維異質(zhì)集成封裝方案、工藝限制下采用低壓晶體管串聯(lián)疊加實(shí)現(xiàn)高偏置電壓像素電路方案等；針對(duì)芯片IO高輸出帶寬問題提出了多幀疊加計(jì)時(shí)直方圖數(shù)據(jù)減薄算法、低誤碼數(shù)據(jù)壓縮算法等；針對(duì)多功能需求，提出了多功能復(fù)合讀出電路，一種是局部多功能方案，全局像素功能是統(tǒng)計(jì)光子個(gè)數(shù)，局部選擇區(qū)域像素實(shí)現(xiàn)光子計(jì)時(shí)或異步光子計(jì)時(shí)。另一種是不同功能對(duì)應(yīng)不同分辨率，全分辨率像素功能是統(tǒng)計(jì)光子個(gè)數(shù)，相鄰像素合并大像素后實(shí)現(xiàn)光子計(jì)時(shí)功能。

結(jié)論

作為一種高靈敏度、高時(shí)間分辨率的探測器，InGaAs單光子雪崩焦平面在激光三維成像、遠(yuǎn)距離激光通信、稀疏光子探測等領(lǐng)域已成功應(yīng)用。InGaAs單光子雪崩焦平面采用半導(dǎo)體工藝，在陣列擴(kuò)展、功能擴(kuò)展方面有明顯優(yōu)勢。文中從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片工藝、電路設(shè)計(jì)等方面對(duì)InGaAs單光子雪崩焦平面進(jìn)行了分析介紹，并對(duì)未來百萬像素級(jí)焦平面技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。

審核編輯：劉清