场效应多晶硅栅极优化的近红外增强型SPAD器件：在905纳米波长下实现11.92%的光电转换效率（PDP），填充因子（Fill Factor）达到47.6%

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Field Polysilicon Gate-Optimized NIR-Enhanced SPAD With 11.92% PDP at 905 nm and 47.6% Fill Factor

硅基近红外增强SPAD采用DPI/NBL耗尽结构和场优化GR技术，在180nm BCD工艺中实现高探测概率（61.98%@555nm，11.92%@905nm）和低暗计数率（2.2cps/m2），适用于3D传感和LiDAR。

　　

摘要：

本文介绍了一种采用标准180纳米双极CMOS-DMOS（BCD）技术制造的近红外（NIR）增强型硅单光子雪崩二极管（SPAD）。其核心创新在于采用了深度p型掺杂（DPI）与N型埋层（NBL）的耗尽结构，这种结构经过精心设计，显著提升了在近红外光谱范围内的光子探测概率（PDP）。为了解决暗噪声问题，我们引入并验证了一种基于场效应的防护环（GR）技术，该技术通过将多晶硅栅极连接到阳极上来有效抑制防护环区域的电场，从而防止过早的边缘击穿（PEB）。通过结合技术计算机辅助设计（TCAD）仿真和实验测量，对这一设计的有效性进行了全面验证。经过优化后，这种SPAD在20微米（μm）的有效直径下，在555纳米波长处的峰值PDP达到61.98%，在905纳米波长处的近红外PDP高达11.92%；在5伏额外偏压下，暗计数率（DCR）仅为2.2个计数/μm2，同时保持了42.5伏的击穿电压和47.6%的填充因子（FF）。这项研究为高性能SPAD提供了一种经过验证且成本效益高的解决方案，非常适合用于消费电子产品的3D传感、短距离光检测与测距（LiDAR）以及荧光寿命成像显微镜（FLIM）等领域。