基于硅的单光子雪崩二极管技术：结构、性能与挑战

《IEEE Electron Devices Reviews》：Silicon-Based Single Photon Avalanche Diode Technologies: Structures, Performance, and Challenges

固态单光子雪崩二极管（SPADs）具有高时间分辨率、快速响应、抗磁场干扰等特性，在LiDAR、PET、光通信等领域替代传统光电倍增管（PMTs），性能提升依赖掺杂工程、光学层升级及高速电路整合。

　　

摘要：

固态单光子雪崩二极管（SPAD）作为一种多功能的光电探测器，在光子计数、定时和成像等尖端技术中发挥着关键作用。其卓越的特性——高定时分辨率、快速响应、高增益、优异的量子效率以及抗磁场能力——使其成为传统光电倍增管（PMT）的有力替代品。SPAD能够检测单个光子的独特能力，加上其数字输出和紧凑的尺寸，使其成为工程、环境监测和医疗保健等领域广泛应用的首选。本文全面分析了SPAD技术，重点介绍了其设计原理、性能指标和应用领域。首先探讨了SPAD的基本工作原理和关键性能指标，然后对比了不同技术节点下的各种SPAD结构，以突出最新进展。基于我们的分析，提出了几种提升SPAD性能的技术，包括：掺杂剖面工程（如使用高压层和掺杂补偿层）、优化光学堆栈以及集成高速前端电路。接着，我们介绍了特定应用中的性能评估标准，并评估了这些标准与所讨论结构的相关性。此外，还讨论了SPAD设计中的新兴趋势，例如利用掩模层技术实现重大突破。最后，总结了研究挑战、潜在解决方案以及SPAD技术的未来发展方向，为这一动态领域的进一步创新提供了宝贵的见解。

引言

单光子雪崩二极管（SPAD）在科学和工业应用中具有重要意义，因为它们具备无与伦比的单光子检测和计数能力[1]、[2]。这些光电二极管利用半导体材料中的雪崩击穿效应和倍增效应，强电场使载流子加速至高能量，从而触发电离事件并产生更多载流子。这种雪崩过程使得SPAD具有高灵敏度和快速定时分辨率，非常适合单光子检测[3]、[4]、[6]、[7]。其出色的灵敏度使其广泛应用于多种领域，包括：飞行时间（ToF）测量[5]、[8]、[9]；正电子发射断层扫描（PET）[10]、[11]；光检测与测距（LiDAR）[12]、[13]、[14]、[15]；生物医学成像[16]、[17]、[18]；荧光寿命成像（FLIM）[19]、[20]、[21]、[22]；光谱学[23]、[24]、[26]、[27]；以及光无线通信（OWC）[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。