基于110 nm标准CMOS图像传感器技术的前照式与背照式单光子雪崩二极管综合比较

《Sensors》：Comprehensive Comparison of Front- and Back-Illuminated Single-Photon Avalanche Diodes in 110 nm Standard CMOS Image Sensor Technology Doyoon Eom, Won-Yong Ha, Eunsung Park, Jung-Hoon Chun, Jaehyuk Choi, Woo-Young Choi and Myung-Jae Lee

　　

本研究提出了一项关于在110 nm标准CMOS图像传感器（CIS）技术中制造的单光子雪崩二极管（SPAD）光照工程的过程控制研究。前照式（FI）和背照式（BI）SPAD采用了相同的前道工序（FEOL）结构实现，包括结区和保护环配置，从而在不改变结区结构的情况下，能够分离光照方向和后道工序（BEOL）配置的影响。通过TCAD仿真和全面的实验表征，包括电流-电压特性、光发射特性、暗计数率（DCR）、光子探测概率（PDP）和时间抖动测量，研究人员系统分析了BI配置所引入的性能权衡。BI SPAD由于具有更深的吸收区和金属反射器的集成，表现出增强的近红外PDP和更宽的光谱响应，同时保持相同的雪崩特性，这通过不变的72 ps半高全宽（FWHM）时间抖动得到证实。然而，背照式光照增加了扩散拖尾，表明近红外灵敏度与扩散相关的时间性能之间存在权衡。这些结果为通过光照方向和BEOL工程优化SPAD性能同时保持FEOL设计提供了设计指导，并展示了在标准CMOS技术中集成SPAD的有用方法。

单光子探测器在成像测距、量子通信与网络、生物学、化学、天文学等诸多领域具有重要应用需求。尤其在光探测测距（LiDAR）和飞行时间（ToF）应用领域，如自动驾驶车辆和增强现实/虚拟现实（AR/VR）系统中，关键需求在于采用标准CMOS技术实现并具有高近红外（NIR）波长探测效率的单光子雪崩二极管（SPAD），以实现与电路的单片集成，从而获得成本效益高、结构紧凑且分辨率高的LiDAR传感器。

在CMOS技术中，前照式（FI）SPAD已被广泛研究和制造并应用于多种场景。然而，传统的基于CMOS的FI SPAD存在固有局限性，原因在于器件上方的金属和/或介质叠层会减弱光子透射，从而降低有效区域内的光子吸收。尤为重要的是，FI SPAD在近红外区域表现出本质上较低的探测效率，因为CMOS技术中形成的PN结通常较浅，约为200 nm至2 μm，而近红外光在硅中的穿透深度远超10 μm。为克服这些限制，背照式（BI）SPAD作为近红外应用的有前景候选方案应运而生。通过允许入射光从衬底背面进入，BI SPAD能够利用硅中更深的吸收区域，在更长波长处实现更高的探测效率。此外，BI配置通过避免后道工序（BEOL）层导致的光学阻塞，可获得更高的填充因子。凭借这些优势，基于CMOS的BI SPAD已在近红外敏感应用中得到报道。尽管如此，BI结构的使用可能因更深的光子吸收和载流子扩散而导致时间性能下降。此外，尽管BI SPAD日益受到关注，但据研究人员所知，此前尚未有研究报道在采用相同代工厂CMOS工艺且保持相同前道工序（FEOL）结构的条件下，对FI和BI SPAD进行直接比较。此类比较对于确认光照方向和BEOL设计对器件性能的影响至关重要。在以往研究中，FI与BI SPAD之间的差异受到制造技术、器件结构或掺杂剖面变化的影响，难以揭示光照方向和BEOL设计的本征影响。

本研究中，研究人员展示了采用110 nm标准CMOS图像传感器（CIS）技术（即通过代工厂服务）制造的FI和BI SPAD。两种器件共享相同的结区结构和几何形状、掺杂剖面以及保护环（GR）配置，从而实现了公平且与工艺无关的比较。通过技术计算机辅助设计（TCAD）仿真以及在电流-电压特性、光发射测试（LET）、暗计数率（DCR）、光子探测概率（PDP）和时间抖动方面的实验评估，对SPAD进行了研究。通过这一综合比较，研究人员为FI和BI SPAD之间的性能权衡提供了实用且明确的见解，并评估了它们对于在不同波长下工作的多种应用的适用性。

在技术方法方面，本研究所用SPAD采用圆形雪崩区域，通过在P阱（PW）与深N阱（DNW）之间形成的结区构成。圆形几何结构旨在最小化器件边缘处的局部电场集中，并确保有源区域的电场均匀分布。虚拟保护环被置于雪崩区域周围以防止过早边缘击穿（PEB）。该结构利用DNW的缓变掺杂，降低平面结边缘处的掺杂浓度，从而缓解结边缘处的电场。PW直径为10 μm，虚拟保护环和周围N阱（NW）的宽度分别为2 μm和1 μm。雪崩区域深度约为1.1 μm，DNW延伸至约3 μm深度。对于BI SPAD，经背面减薄后总晶圆厚度降至约3.3 μm，对应剩余P外延层厚度约300 nm，而FI SPAD中的P衬底厚度约为750 μm且未经背面减薄。背面沉积了由多层介质叠层构成的抗反射涂层以降低光学反射并增强光学耦合效率。此外，BI SPAD中位于器件下方的金属1构成金属反射器，有助于提高近红外区域的探测效率。表征手段包括TCAD仿真、电流-电压测量、光发射测试、DCR测量（使用串联淬灭电阻，取四颗芯片的平均值以考虑芯片间差异）、PDP测量（波长范围400-950 nm）以及采用时间相关单光子计数（TCSPC）方法进行的时间抖动测量（使用940 nm皮秒脉冲激光）。

研究结果部分，电流-电压特性显示，两种SPAD在雪崩击穿前均表现出低于皮安级别的极低暗电流，有效抑制了耗尽区中的泄漏路径。随着反向偏压接近击穿电压（V_br），电流逐渐上升并在雪崩倍增过程触发后急剧增加。FI和BI SPAD的V_br均约为14 V，表明倍增区的电场分布和结曲率良好匹配。BI SPAD的V_br温度系数约为12 mV/K，温度依赖性测量显示其在-30°C至75°C范围内线性增加。

光发射测试（LET）在3 V过偏压（V_ex）下进行，以可视化评估有效有源面积和雪崩强度。两种SPAD均在整个设计有源面积上表现出均匀的光发射，表明不存在过早边缘击穿。BI SPAD中观察到的发射光颜色红移归因于结区深度较大，光子在较厚的硅层中传播时短波长（蓝光）被吸收。

暗计数率（DCR）测量结果显示，在3 V_ex下，FI和BI SPAD的平均DCR分别为456 cps和392 cps，BI SPAD略低于FI SPAD，表明背面减薄等额外后处理步骤未引入明显的噪声性能劣化。两种结构可比的DCR水平归因于隔离的SPAD设计，其中雪崩区与衬底电气隔离，从而最小化了衬底诱导的噪声贡献。温度依赖性测量显示两种SPAD具有相似趋势，DCR随温度近似指数增加，这是热激活载流子产生的特征。两器件在各偏压条件下的温度斜率几乎相同，表明其温度依赖的噪声行为基本相似。阿伦尼乌斯图分析提取的激活能（E_a）值对于FI和BI SPAD几乎一致，低温区约0.2 eV（与带边附近缺陷能级相关的陷阱辅助隧穿过程）和高温区约1.2 eV（高于硅禁带宽度1.12 eV的热产生过程）表明两器件缺陷密度均较低，实现了良好的DCR性能。

光子探测概率（PDP）特性显示，FI SPAD在500 nm处达到58.3%的峰值PDP，与该波长在硅中约0.9 μm的光学穿透深度良好对应，接近FI SPAD的结深。然而在近红外区域，FI SPAD的PDP降低，因为其浅结深限制了长波长光子的吸收，且缺乏金属反射器阻止了器件内的有效光子再循环。相比之下，BI SPAD表现出更宽的光谱响应，在600 nm处达到42.4%的峰值PDP，与该波长约2.4 μm的光学穿透深度一致，对应BI SPAD约2.2 μm的雪崩区域深度。此外，BI SPAD在700 nm附近的PDP因下方金属反射器增强内部反射而略微再次上升。这些趋势表明BI诱导的PDP增强不限于近红外区域，而是延伸至红可见光范围，BI SPAD在约600 nm以上表现出高于FI SPAD的灵敏度。然而在近400 nm的较短波长处，BI SPAD呈现明显的PDP截止特性，这源于约0.3 μm的剩余P外延层厚度。400 nm光在硅中仅穿透约0.1 μm，大部分光子被P外延层吸收，产生光生载流子因P外延层与DNW之间的势垒无法到达雪崩区域，故不贡献于雪崩触发。波长相关的PDP增强显示，BI SPAD相比FI SPAD在近600 nm处增强仅约2%，但随波长显著增加，在950 nm处达到324%。这些结果明确表明BI结构在提高较长波长区域探测效率方面特别有效。两种器件表现出互补的光谱响应，FI SPAD优化用于可见光探测，BI SPAD则提供红至近红外区域增强的灵敏度。

时间抖动测量显示，FI和BI SPAD在940 nm和3 V_ex下均实现约72 ps的FWHM，表明器件的主要时间分辨率主要受控于耗尽区中的漂移时间和雪崩区的雪崩建立时间，不受光照配置显著影响。然而，BI SPAD的十分之一高全宽（FWTM）为250 ps，大于FI SPAD的165 ps，表明BI SPAD存在更长的扩散拖尾，这归因于背照式配置中金属反射器存在下载流子扩散长度的增加。在当前器件结构中，贡献于雪崩触发的载流子输运主要局限于DNW区域，而衬底中产生的载流子贡献因DNW/P衬底结而被强烈抑制。因此，扩散拖尾主要受控于有源输运区域内的光学传播和吸收，而非衬底厚度本身。BI SPAD中金属反射器增加了该区域内的有效光程，增强了扩散输运，导致更大的FWTM。从应用角度看，相同的FWHM值确保BI SPAD保持适用于ToF和LiDAR系统的高时间分辨率，而扩展的FWTM代表了与近红外区域PDP相关的权衡。

在讨论与结论部分，通过与先前报道的110 nm CIS SPAD（排除额外工艺技术）进行比较，本工作在DCR、峰值PDP、近红外PDP和时间抖动方面展现出具有竞争力的整体性能，同时保持了CMOS兼容结构。研究结果证实，光照和BEOL工程可有效将灵敏度扩展至更长波长，而无需在时间性能方面付出重大代价。虽然一些先前研究在不同工作条件或波长目标下报告了更高的峰值PDP，但本研究结果展示了整体性能中良好平衡的权衡。

本研究的主要结论如下：通过在相同110 nm标准CIS技术中制造和直接比较FI和BI SPAD，并保持相同的FEOL结构，通过TCAD仿真和实验测量清晰识别了光照方向和BEOL配置的本征效应。BI SPAD展示了与FI SPAD可比的DCR和主要时间抖动性能，同时通过其深雪崩区域和金属反射器的使用，实现了更宽光谱PDP响应和近红外区域增强的灵敏度。尽管BI SPAD表现出增加的扩散相关时间拖尾，但FWHM保持不变，表明基本时间分辨率得以保持。相比之下，FI SPAD在短波长区域表现出更高的PDP，使其更适合短波长光子探测。这些结果明确验证了增强的近红外灵敏度与时间拖尾行为之间的设计权衡。总体而言，这项比较研究确认了在标准CMOS工艺中实现FI和BI SPAD的可行性和实用优势，并为针对特定应用优化SPAD架构提供了有用的设计指导。