标准CMOS工艺集成自淬灭主动恢复单光子雪崩二极管(SQUARE)的创新研究

《IEEE Access》：Integration of Self-Quenched Active-Recovery SPADs in Standard CMOS

本研究针对传统CMOS单光子雪崩二极管(SPAD)在被动淬灭恢复时间长与主动淬灭填充因子低的固有问题，提出了自淬灭主动恢复(SQUARE)新机制。通过集成非晶硅(a-Si)增益层，实现了20-30 ns的快速自恢复时间，比被动淬灭SPAD提速50倍。结合Verilog-A电路模型与跨阻放大器(TIA)读出电路，为高密度单光子成像阵列提供了可扩展的CMOS兼容解决方案。

　　

在量子通信、激光雷达(LiDAR)和生物传感等前沿领域，单光子探测技术正发挥着越来越重要的作用。传统的光电倍增管(PMT)和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)虽然性能优异，但需要高压、真空或低温环境，限制了其大规模应用。而互补金属氧化物半导体(CMOS)单光子雪崩二极管(SPAD)因其室温工作、低成本和高集成度优势，成为最具潜力的替代方案。然而，CMOS SPAD面临一个根本性矛盾：被动淬灭方式会导致微秒级的漫长恢复时间，而主动淬灭虽然速度快，却需要复杂的外围电路，显著降低了填充因子和阵列密度。

针对这一技术瓶颈，加州大学圣地亚哥分校的研究团队在《IEEE Access》上发表了一项突破性研究，提出了一种自淬灭主动恢复(SQUARE)SPAD新结构。该创新设计通过在标准CMOS工艺中集成碳掺杂非晶硅(a-Si:H:C)增益层，实现了无需外部淬灭电路的快速自恢复功能，为高密度单光子成像阵列的发展开辟了新途径。

研究人员采用Tower Semiconductor的180纳米SBC18H3 CMOS工艺制备硅p/n结作为主要增益区，随后通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在顶层金属上制备100纳米厚碳掺杂非晶硅层作为二次增益介质。这种双增益架构巧妙利用了非晶硅在高电场下的载流子倍增效应，显著加速了器件的自恢复过程。

器件工作原理与实验表征

SQUARE探测器的工作机制包含四个关键阶段：单光子吸收触发雪崩倍增、自淬灭过程、非晶硅增益辅助恢复和完全恢复准备下一次探测。实验结果显示，具有a-Si增益层的器件在26V偏压下实现了20-30纳斯的快速自恢复时间，而缺乏a-Si增益的对比器件恢复时间长达1.6微秒，性能提升达50倍。Geiger模式增益超过10⁵，暗计数率保持在1-10千赫兹的低水平。

6 photons/s;(ii) overlay of photon-induced pulses.(c)(i) Waveform under illumination for the device without an a-Si gain layer at 2.95×10⁶photons/s;(ii) overlay of corresponding detection pulses. Illumination was provided by a continuous-wave 635 nm fiber-pigtailed laser diode.'>

理论模型与电路设计

研究团队建立了完整的理论框架描述SQUARE探测器的瞬态响应，将输出电流分解为硅p/n结和a-Si层两个主要组成部分。基于此开发的Verilog-A电路模型准确模拟了雪崩触发、自淬灭和主动恢复的动态过程，为系统级协同设计提供了有效工具。结合该模型设计的跨阻放大器(TIA)读出电路实现了54.23分贝欧姆的跨阻增益和34.67千兆赫兹的带宽，功耗仅265微瓦。

成像演示与应用验证

单像素成像实验充分展示了SQUARE探测器的实际应用价值。在100微秒的像素积分时间内，UCSD标志图像重建具有高保真度；即使将积分时间缩短至500纳秒，图案依然清晰可辨。这一结果验证了该探测器在高速低光成像中的卓越性能，为未来多像素阵列实现奠定了坚实基础。

该研究通过创新的器件结构设计和材料工程，成功解决了传统CMOS SPAD在恢复速度与填充因子之间的固有矛盾。SQUARE架构不仅实现了比被动淬灭SPAD快50倍的恢复速度，还保持了标准CMOS工艺的兼容性和高集成度优势。结合精确的电路模型和优化的读出电路设计，这项工作为下一代高分辨率单光子成像系统的发展提供了关键技术支撑，在量子通信、生物医学成像和自动驾驶等领域具有广阔应用前景。