GeSiSPAD器件的基准和概念

探测单光子的能力推动了许多研究领域的进步。尽管已经开发出各种类型的单光子探测器，但由于需要在低温下运行及与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺不兼容，到目前为止，只有硅基单光子雪崩二极管（SPAD）获得了成功并应用于消费电子产品。

有鉴于此，台湾Artilux Inc. Neil Na等人报告了一种在室温下运行的与CMOS兼容、高性能锗硅SPAD，其噪声等效功率比之前的基于 Ge的SPAD提高了2-3.5个数量级。暗计数率、1,310nm处单光子检测概率、定时抖动、后脉冲特征时间和后脉冲概率等关键参数分别为19kHz μm−2、12%、188 ps、~90ns 和 <1%，具有 10.26 V 的低击穿电压和 0.75 V 的小过量偏压。这项工作为在日常生活中使用单光子敏感短波红外传感器、成像仪和光子集成电路铺平了道路。此外，作者指出，未来的方向包括（1）缩小器件面积，开发间距小于10μm的传感和成像像素； (2)最小化接触电阻；(3)通过晶圆级键合与CMOS电路异质集成。

GeSiSPAD器件的基准和概念

作者报告了采用CMOS兼容制造工艺制造的15 µm直径的锗硅(GeSi)SPAD，并在室温下对其进行表征，以证明其高性能。作者定义了噪声等效功率(NEP)以对文献中报道的SPAD进行基准测试。结果表明，GeSiSPAD噪声等效功率比之前的基于 Ge的SPAD提高了2-3.5个数量级。此外，所演示的GeSi SPAD的后脉冲特征时间比基于InGaAs的SPAD短得多。GeSiSPAD 通过有效屏蔽低质量 Ge 侧壁的高电场，实现了暗电流的减少，作者展示了其原理图。

图1 之前报道的Ge基和InGaAs基SPAD的NEP和工作温度

图2 所演示的GeSi SPAD的横截面原理图概念、SEM图像和I-V特性

GeSiSPAD器件表征

作者展示了晶圆级测试的I-V测量结果，获得了室温下最低的基于Ge的APD或SPAD初级暗电流和最低的DCR。随温度升高每10°C， DCR增加约为2.5倍，表明Ge中能级接近Ge带边缘的缺陷是产生DCR的原因，因此可以通过优化制造工艺进一步最小化 DCR。进一步地，通过后脉冲等更多参数的测量表明所展示的GeSi SPAD的性能可能已经优于之前报道的一些基于 InGaAs的SPAD。

图3 演示的GeSi SPAD的计数特性

激光雷达系统演示

作为概念证明，作者演示了将GeSi SPAD用于基于直接TOF技术的LIDAR。 3D扫描和成像是通过用同轴收发器替换可变光学衰减器来完成的，同轴收发器使用x-y振镜来控制发射的激光脉冲并沿着同一光路收集返回的激光脉冲。演示结果证明了基于激光雷达的GeSi SPAD 的直接TOF技术潜力。

审核编辑：黄飞