引言

近年来，单光子雪崩二极管（SPAD）技术在直接飞行时间（dToF）测量和光子计数成像应用中得到快速发展，凭借高速度、高灵敏度和高响应性的特点备受关注。Sony半导体解决方案公司在这一领域取得了重要进展，开发出一款在940纳米波长下光子探测效率（PDE）达到42.5%的SPAD深度传感器。这一成果在硅基SPAD技术中创造了新的性能标杆[1]。

飞行时间测量的基本原理

SPAD深度传感器的工作原理基于精确测量光子从光源传播到目标物体再返回传感器所需的时间。这种直接飞行时间方法通过检测单个光子来实现高精度的距离计算。测量过程从脉冲激光向目标发射光线开始，SPAD传感器检测反射光子，生成直方图显示飞行时间，最终确定到目标物体的距离。

图1 dToF直方图概念和信噪比定义，显示如何通过时间测量光子计数来确定距离

信噪比在这个测量过程中发挥关键作用，直接影响距离计算的准确性和可靠性。更高的光子探测效率意味着更强的信号强度，进而改善深度传感系统的整体性能。对于需要更高光子探测效率来改善信噪比的SPAD深度传感器，近红外区域的PDE是一个重要特性。

创新的双层芯片架构设计

Sony采用先进的双层设计架构，最大化功能性和效率。顶层容纳10微米像素间距的SPAD像素阵列，底层包含所有支撑线路，包括读出线路、时间数字转换器和直方图构建器。这种分离设计在保持高性能特征的同时实现了空间的最优利用。

图2 开发芯片的示意图，展示顶层SPAD像素阵列和底层控制处理组件

层间电连接采用直接铜对铜键合技术，确保可靠的信号传输，同时保持实际应用所需的紧凑形式因子。这种设计理念支持单个像素读出能力，这对于在整个传感器阵列中实现均匀性能表现很重要。

背照式结构的优越设计

每个SPAD像素的物理结构集成了多项尖端技术，共同工作以最大化光收集和光子探测效率。背照式结构采用7微米厚的硅薄膜，为近红外波长提供最佳吸收深度。金属反射器和用于衍射的金字塔表面结构通过重定向和聚焦可能丢失的光线来增强光学量子效率。

图3a 开发SPAD像素的横截面视图，图3b 在940纳米波长下的X-SEM图像和光学量级仿真

最重要的是，无间隙片上透镜的实施实现了百分之百的有效填充因子，意味着几乎所有入射光都可用于光子探测。带有嵌入式金属的全沟槽隔离防止相邻像素间的串扰，确保来自相邻像素的二次光子不会干扰精确测量。

三个渐进式设计条件的优化历程

开发过程涉及三个不同的设计条件，每个条件都在前一个迭代的基础上构建以实现最佳性能。第一个条件作为基线参考，第二个条件专注于通过增加掺杂浓度来增强倍增区域内的电场。这种增强改善了盖革模式操作的触发概率，这对单光子探测至关重要。

图4 TCAD仿真结果，比较了条件1（参考）和条件2（增强设计）在3V过量偏压下的电场分布

在条件二中，倍增区域面积被战略性地减少了50%，以防止可能由增强电场导致的暗计数率恶化。这种在灵敏度和噪声性能之间的精心平衡展示了优化SPAD性能所需的复杂工程技术。

图5 TCAD仿真的电势分布结果，比较条件2（参考）和条件3（增强设计），白线显示电子传输路径

第三个也是最终的条件在保护环区域的硅表面引入了额外的p型掺杂。这种修改通过为在表面附近产生的电子提供更好的路径到达倍增区域，显著改善了电荷收集效率，最终有助于实现卓越性能。

性能测量结果与分析

实验结果显示了通过优化过程实现的逐步改善。光子探测效率测量显示从条件一到条件三的明显进步，最终设计在940纳米处实现了42.5%的PDE。

图6 PDE作为过量偏压函数的实验结果和拟合曲线，展示了三个条件的逐步改善

波长依赖性测量显示优化设计在整个近红外光谱范围内保持高性能。在905纳米处，传感器实现51.0%的PDE，在850纳米处达到63.4%的PDE。这种宽光谱性能使传感器适用于需要不同波长操作的各种应用。

图7 近红外区域不同波长的PDE实验结果，显示多个波长的峰值性能值

温度依赖性分析显示，虽然条件三由于从表面增强电子收集而表现出轻微的暗计数率增加，但这种增加在实际dToF测量应用中保持在可忽略的水平。芯片内的中位暗计数率在操作温度范围内展现可接受的性能。

图8 在3V过量偏压下的DCR温度依赖性实验结果，比较所有三个条件在不同温度下的表现

技术成就的深入分析

综合分析表明，卓越的光子探测效率来自优化三个关键因素：量子效率、电荷收集效率和触发概率。通过光学设计优化实现了46.4%的量子效率，通过创新掺杂设计达到了98.8%的电荷收集效率。92.9%的触发概率确保了可靠的单光子探测能力。

PDE可以表达为三个因素的乘积：QE、电荷收集效率（CE）和触发概率（TP）。QE由器件的物理结构决定，通过无间隙OCL和PSD已经最大化。CE代表将硅区域中产生的电子传输到倍增区域的效率。NIR光的光子转换区域扩散到整个硅区域，需要精确将电子从整个硅区域传输到倍增区域的掺杂设计。

TP表示单个电子在倍增区域引起盖革模式的概率。为了有效诱导盖革模式，必须在倍增区域引入更高的电场来产生热电子。三个制造条件通过调整掺杂设计优化CE和TP以在条件3中最大化PDE。

通过拟合结果进行的PDE分析显示，虽然PDE是QE、CE和TP的乘积，但只能从测量结果估计有效量子效率（EQE）和TP。因此，使用光学仿真的QE来计算CE。在940纳米处的仿真QE为46.4%，表明CE在条件2和3之间从89.4%增加到98.8%。

性能对比与技术意义

与现有SPAD技术的对比显示，这项技术在多个关键指标上达到了优异水平。后脉冲概率为0.1%，死时间保持在6.2纳秒，与相同技术相比保持了竞争力。串扰仅为1.1%，通过FTI结构得到有效防止。尽管采用了更高的CE设计，时序抖动仍保持在200皮秒以下。

这一技术成就不仅仅是传感器性能的渐进式改善。在硅基SPAD技术中实现940纳米处42.5%的PDE为移动和汽车应用提供了新的选择，在这些应用中成本竞争力仍然很重要。高性能与使用标准CMOS工艺的实用可制造性相结合，使这项技术对于广泛部署具有特殊价值。

这项开发的成功表明，SPAD技术的未来改进可能主要集中在光学量子效率增强上，因为电荷收集和触发概率组件已经接近最优水平。通过背照式结构和电荷聚焦技术等PDE改进技术的发展，这项研究通过优化掺杂设计实现了高PDE和合理的暗计数率。这一成就为硅基单光子探测技术建立了新的基准，为各行业更准确可靠的深度传感应用奠定了技术基础。

参考文献

[1] S. Shimada et al., "A Back-illuminated 10 µm-pitch SPAD Depth Sensor with 42.5% PDE at 940 nm using an Optimized Doping Design," in 2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits Digest of Technical Papers, 2025, pp. T1-2.

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