芯耀
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前言
SPAD傳感器在誕生之初主要用于弱光探測場景，然而隨著其性能演進(jìn)和場景需求發(fā)展，SPAD被越來越多地用在了車載雷達(dá)、機(jī)器人、無人機(jī)等消費(fèi)類場景中。SPAD傳感器因其高靈敏度和低噪聲特性，成為實(shí)現(xiàn)高精度深度感知和弱光成像的理想選擇。
與基于PN結(jié)的傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器（CIS）不同，SPAD探測器的核心結(jié)構(gòu)是工作在蓋革模式下的雪崩二極管。從物理機(jī)制層面看，SPAD的復(fù)雜性顯著高于PN結(jié)器件，主要體現(xiàn)在高反向偏壓下更易引發(fā)非平衡載流子注入、熱電子效應(yīng)以及缺陷態(tài)輔助的隧穿電流等問題，這些特性使其在設(shè)計(jì)、工藝和電路架構(gòu)層面均面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
SPAD常見的性能參數(shù)包括像素大小（Pixel Size）、暗計(jì)數(shù)噪聲（DCR）、光探測概率（PDE）、死區(qū)時(shí)間（DeadTime）和響應(yīng)時(shí)間（Response Time）。這些參數(shù)直接影響SPAD的性能表現(xiàn)，例如，暗計(jì)數(shù)率（DCR）是定義探測器噪聲的關(guān)鍵參數(shù)，SPAD需保持高于擊穿的偏置以作為單光子探測器。而光探測概率（PDE）則決定了SPAD的靈敏度，受到電場強(qiáng)度和分布的影響。此外，死區(qū)時(shí)間（DeadTime）是SPAD在被觸發(fā)后恢復(fù)到初始狀態(tài)所需的時(shí)間，影響最大光子檢測速率和動(dòng)態(tài)范圍。
圖1 SPAD的主要性能參數(shù)
在SPAD器件的性能優(yōu)化中，核心性能參數(shù)間的制約關(guān)系是一大難題：比如像素微縮化直接導(dǎo)致PDE衰減，尺寸微縮導(dǎo)致的邊緣電場集中還將引發(fā)DCR激增問題；降低死區(qū)時(shí)間會(huì)誘發(fā)后脈沖噪聲并劣化時(shí)間抖動(dòng)精度。前沿方案通過DTI/保護(hù)環(huán)（抑制串?dāng)_，降低DCR）、像素光學(xué)優(yōu)化、新材料引入（SiGe雪崩層增強(qiáng)紅外響應(yīng)）、以及三維堆疊的主動(dòng)淬滅電路等方式實(shí)現(xiàn)了一定程度上的協(xié)同優(yōu)化。
SPAD器件介紹
在前面微光探測章節(jié)中，我對所有的弱光探測器進(jìn)行了一個(gè)綜述型介紹，其中包括SPAD。這里不做重復(fù)介紹，感興趣的讀者朋友請移步：
SPAD的發(fā)展趨勢
像素尺寸的持續(xù)微縮
在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，工藝微縮是共性技術(shù)演進(jìn)方向。SPAD像素的微縮不僅能顯著提升PPAC（功耗、性能、面積、成本）綜合指標(biāo)，更驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場景的拓展與市場邊界重塑。早期SPAD主要服務(wù)于科研設(shè)備、工業(yè)生產(chǎn)等toB場景，對成本和體積的容忍度較高；而隨著其向消費(fèi)級(jí)市場滲透（如車載激光雷達(dá)、手機(jī)3D傳感），成本與尺寸約束已成為與性能并重的核心設(shè)計(jì)目標(biāo)，甚至在部分場景中更具決定性。微縮化通過提升單位面積的像素密度，直接增強(qiáng)空間分辨率與成像精度，降低單芯片面積, 也為高分辨率光子計(jì)數(shù)成像奠定物理基礎(chǔ)。
圖2. SPAD像素微縮時(shí)間表[1]
在當(dāng)前產(chǎn)品中，消費(fèi)級(jí)SPAD芯片的主流像素尺寸還是基于10um為主流（例如sony的經(jīng)典款I(lǐng)MX459），但是相關(guān)公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研究單位已經(jīng)推出了3um以下的SPAD傳感器。相信在不久的以后，小尺寸像素會(huì)大面積落地。
圖3 近年來發(fā)表的SPAD頂會(huì)論文[2]
BSI（背照式）與FSI（前照式）像素結(jié)構(gòu)的主要差異體現(xiàn)在光線的入射路徑和金屬層的排列方式上。在FSI結(jié)構(gòu)中，光線從正面入射，經(jīng)過透鏡、濾光片、金屬層后到達(dá)光電二極管（PD），而金屬層會(huì)遮擋和反射部分光線，導(dǎo)致光損耗增加。相比之下，BSI結(jié)構(gòu)將PD置于金屬層的上方，光線從背面入射，直接到達(dá)PD，從而減少了金屬層對光線的干擾，提高了光收集效率。
隨著尺寸微縮，BSI式的像素也逐漸取代FSI,這一點(diǎn)和CIS傳感器的發(fā)展過程相當(dāng)一致，這是由于隨著像素微縮金屬層導(dǎo)致的光路損耗問題和衍射效應(yīng)愈加嚴(yán)重，直接影響的成像質(zhì)量和設(shè)計(jì)難度，此外FSI設(shè)計(jì)下FF也很難設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大幅提升，使得像素PDE性能受限。下面這張圖給出了FSI和BSI的像素結(jié)構(gòu)，可以直觀從結(jié)構(gòu)布局上看到兩個(gè)結(jié)構(gòu)對FF因子的影響。
圖4 FSI和BSI 型SPAD器件[3]
圖5 FSI和BSI對比
BSI（背照式）SPAD像素通過3D堆疊技術(shù)將光敏層與邏輯電路分離，這也得益于這幾年先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展。目前普遍采用的鍵合是銅-銅鍵合，其鍵合對準(zhǔn)精度能高達(dá)um量級(jí)以下。
圖6 3D堆疊芯片示意圖[4]
圖7 3D-Stack BSI SPAD像素示意圖
分辨率的不斷提高
圖8 SPAD靶面分辨率發(fā)展趨勢[2]
目前消費(fèi)級(jí)的SPAD芯片分辨率通常在十萬像素量級(jí)以下。工業(yè)級(jí)的SPAD芯片會(huì)有更高配置，比如佳能在2020年就發(fā)布了世界首款百萬像素級(jí)SPAD傳感器（320萬像素，13,2mm*9.9mm），2023年又推出了搭載該傳感器的攝像機(jī)MS-500，主要落地場景為工業(yè)、科研、監(jiān)控等。當(dāng)然這款相機(jī)還沒有大規(guī)模商用。
微縮趨勢下的SPAD像素性能優(yōu)化
SPAD像素優(yōu)化的實(shí)質(zhì)是通過多過程拆解+多物理場協(xié)同調(diào)控實(shí)現(xiàn)的。讓光子在感光區(qū)域多次反射/散射實(shí)現(xiàn)吸收增強(qiáng)（微納光學(xué)+像素微透鏡），讓光生電荷在GR內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效匯聚（摻雜和場調(diào)控），讓高能電荷在像素內(nèi)高度約束（雪崩空間域控制、場隔離和FTI像素隔離）,讓缺陷態(tài)/界面態(tài)在電場下不發(fā)生隧穿激活。通產(chǎn)業(yè)實(shí)踐表明，考慮到性能參數(shù)的制約關(guān)系，唯有對上述維度進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化方能在微縮化進(jìn)程中同步達(dá)成PDE提升、DCR壓縮及串?dāng)_抑制等性能協(xié)同優(yōu)化。
FTI設(shè)計(jì)
像素微縮化進(jìn)程中面臨兩大核心挑戰(zhàn)：光子探測效率（PDE）衰減與光/電串?dāng)_惡化。FTI技術(shù)通過貫穿像素的深溝槽隔離結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)串?dāng)_降低。通過FTI層折射率調(diào)控、電場分布調(diào)節(jié)、疊層設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較好的像素間光/電串?dāng)_防護(hù)設(shè)計(jì)。
折射率工程：填充二氧化硅或空氣隙調(diào)控側(cè)壁反射率，將光學(xué)串?dāng)_抑制，金屬層的引入可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離。
電場分布：DTI接地設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)橫向電場強(qiáng)度衰減，阻斷載流子擴(kuò)散路徑
疊層優(yōu)化：與背照式（BSI）結(jié)構(gòu)集成時(shí)，F(xiàn)TI深度匹配光電吸收層厚度實(shí)現(xiàn)包裹式隔離
圖10 FTI結(jié)構(gòu)示意圖[6]
這里可能大家會(huì)問CIS通過DTI設(shè)計(jì)都做到1um的像元大小了，SPAD像素尺寸比CIS大好幾倍，像素隔離設(shè)計(jì)是不是更容易？從光學(xué)串?dāng)_上說是的（僅限于在同一波長下對比，隨著波長增加難度增大），但是考慮電學(xué)串?dāng)_就并不是這樣。SPAD本質(zhì)上是一個(gè)垂直方向的貫穿結(jié)，并且其中的非平衡熱載流子在電場下加速到了較高的速度，因此更容易發(fā)生橫向溢散（熱載流子問題也是logic器件的最頭疼的難題之一），當(dāng)FTI層介質(zhì)過薄，或者沒有設(shè)計(jì)金屬屏蔽層時(shí)，高能載流子將引發(fā)FN隧穿或陷阱輔助隧穿（TAT），穿透隔離勢壘擴(kuò)散至相鄰像素。
圖11 SPAD像素電串?dāng)_示意圖[7]
電場隔離保護(hù)環(huán)（Guard Ring, GR）設(shè)計(jì)
除FTI技術(shù)外，保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)是抑制邊緣擊穿的核心方案。GR可以看成是一個(gè)與主PN結(jié)并聯(lián)的次級(jí)PN結(jié)。當(dāng)反向偏壓施加時(shí)，主結(jié)耗盡區(qū)向外擴(kuò)展并與GR耗盡區(qū)穿通，迫使電場線從邊緣區(qū)域轉(zhuǎn)向GR內(nèi)側(cè)，顯著降低邊緣電場峰值。GR通過定制化摻雜輪廓在雪崩區(qū)與器件邊緣間構(gòu)建電場緩沖區(qū)，避免高電場在邊緣集中引發(fā)的非受控?fù)舸?/p>
索尼在2023年IEDM論文中揭示：像素微縮進(jìn)程中需協(xié)同優(yōu)化GR厚度與橫向尺寸——適度擴(kuò)大GR寬度，可使邊緣電場峰值降低~50%，從而降低邊緣擊穿風(fēng)險(xiǎn)。這一厚度也不是越厚越好，要結(jié)合器件仿真，找到一個(gè)GR區(qū)域電場強(qiáng)度最小的區(qū)域。
圖12 GR厚度優(yōu)化過程[1]
除了厚度優(yōu)化外，還可以通過參雜調(diào)控，比如梯度摻雜或者多環(huán)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的電場過渡區(qū)。
結(jié)的場分布設(shè)計(jì)
PDE優(yōu)化過程是光傳輸路徑+光吸收區(qū)域+光生電荷輸運(yùn)的全鏈條優(yōu)化過程。后兩者強(qiáng)依賴于結(jié)的場分布設(shè)計(jì)。值得注意的是，在優(yōu)化電場分布的同時(shí)，必須兼顧有效吸收層面積與光子探測效率（PDE） 的平衡。Cannon團(tuán)隊(duì)提出的 電荷聚焦型SPAD（Charge-focus SPAD） 正是這一設(shè)計(jì)典范。如下圖所示，其通過“擴(kuò)吸收區(qū)+縮倍增區(qū)”實(shí)現(xiàn)了像素區(qū)域內(nèi)光電轉(zhuǎn)換過程的最大化，同時(shí)通過獨(dú)特的“電場聚焦功能”保證光生載流子高效的“流”向倍增區(qū)，并在雪崩區(qū)域得以有效倍增和抽取。倍增區(qū)的面積控制的足夠小，不但可以降低達(dá)到臨界電場強(qiáng)度所需的電壓，還能實(shí)現(xiàn)高能載流子在空間上的強(qiáng)約束，降低其橫向擴(kuò)散到像素邊緣的概率。
圖13 Sony Charge-Focusing SPAD設(shè)計(jì)[2]
這一Charge-Focusing的設(shè)計(jì)，理論上可以實(shí)現(xiàn)~100%的FF，從而大幅提高PDP(可以實(shí)現(xiàn)~40%的PDP@6um像素)，同時(shí)其雪崩倍增區(qū)域在空間上的高度限制也可以降低熱像素概率，提升DCR性能。除了提升PDE和DCR外，這一設(shè)計(jì)還可以降低結(jié)電容，從而一定程度上實(shí)現(xiàn)對后脈沖的抑制。
圖14 Charge-Focusing SPAD器件的性能表現(xiàn)[2]
Embedded metal contact
降低DCR的一個(gè)關(guān)鍵就是降低缺陷態(tài)的激活概率，包括是邊緣處、界面處、倍增區(qū)的帶間缺陷態(tài)在強(qiáng)電場下的隧穿。一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案是通過拉遠(yuǎn)陰極和陽極電極之間的距離，降低整體的電場強(qiáng)度。下圖中可以看到，通過降低邊緣電場強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)DCR的近一個(gè)量級(jí)的削減。
圖15 Embedded metal contact[8]
圖15 Embedded metal contact[8]
上面提到的很多像素設(shè)計(jì)方案都是半導(dǎo)體器件層面的設(shè)計(jì)，隨著像素的微縮，像素光學(xué)層面也有越來越多的設(shè)計(jì)方案。
PSD限光結(jié)構(gòu)
微納陷光結(jié)構(gòu)目前基本上是像素設(shè)計(jì)上的標(biāo)配設(shè)計(jì)。如下圖所示，通過限光微結(jié)構(gòu)的衍射，可以實(shí)現(xiàn)光的大角度散射，從而增長光在吸收區(qū)域的有效光程，增大光的吸收，這在長波（>900 nm）情況下尤為重要。不過需要強(qiáng)調(diào)的是，界面本身也是一個(gè)關(guān)鍵的噪聲源（我又想說那句經(jīng)典的話 The interface is Device），因此，一旦PSD結(jié)構(gòu)的工藝控制不好，就會(huì)是一個(gè)強(qiáng)的貢獻(xiàn)DCR的噪聲源。
圖16 PSD限光結(jié)構(gòu)示意圖[9]
我再擴(kuò)展說說為什么在長波（>900 nm）場景下，PSD這種構(gòu)建光多次反射路徑的設(shè)計(jì)必不可少，下圖是一個(gè)硅的不同波長的吸收截止深度示意圖，可以看到對應(yīng)1000nm的吸收截止深度是100um左右，而通常吸收硅層也就10um量級(jí)，因此等效吸收光路徑的延長對提高PDE十分有效，這也是為什么目前小像素下單PSD，乃至雙PSD基本是標(biāo)配設(shè)計(jì)。
圖17 硅的波長吸收深度曲線[10]
雙衍射結(jié)構(gòu)（如金字塔表面衍射PSD和淺溝槽衍射STD）的示意圖如下圖所示，其可以進(jìn)一步增加像素內(nèi)的光學(xué)路徑。
圖18 雙衍射像素設(shè)計(jì)
Metal Reflector
與PSD相類似的是metal reflector，這個(gè)常放置在像素底部表面和側(cè)壁DTI/FTI處（在像素FF不高時(shí)，也有可能在表面部分非入光孔徑區(qū)域放置），其作用和PSD類似，都是用以增加光程，原理主要基于反射而非衍射。Metal reflector的工藝實(shí)現(xiàn)相比PSD更簡單，引入噪聲源的可能性更低，但是設(shè)計(jì)時(shí)同樣需要考慮金屬功函選擇以及其帶來的場調(diào)控問題（引入額外的Band-bending）。一個(gè)好的metal reflector組合設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)光在像素區(qū)域內(nèi)的全吸收和高束縛，提高PDE的同時(shí)降低像素間串?dāng)_。
圖19 結(jié)合Charge-focusing和像素光學(xué)反射設(shè)計(jì)的SPAD像元結(jié)構(gòu)[11]
像素微透鏡設(shè)計(jì)
近年來sony等大廠也逐漸開始在微透鏡設(shè)計(jì)上下功夫，比如引入GaplessOCL，2x2OCL 等技術(shù)，前者比較好理解，相當(dāng)于提高了邊緣光線的收集能力，后者就要結(jié)合衍射光學(xué)來思考了而不是單單幾何光學(xué)(暫不展開，大家感興趣可以去看看sony他的論文)。
圖20 常見的像素微透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[12, 13]
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https://zhuanlan.zhihu.com/p/687464063.
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S. Shimada et al., IEDM 2022.
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15. A Challenge for 3 μm SPAD Pixel Using Embedded Metal Contact on Deep Trench Pixel ioslation
