探測單光子的能力推動了許多研究領域的進步。盡管已經開發出各種類型的單光子探測器，但由于需要在低溫下運行及與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝不兼容，到目前為止，只有硅基單光子雪崩二極管（SPAD）獲得了成功并應用于消費電子產品。

有鑒于此，臺灣Artilux Inc. Neil Na等人報告了一種在室溫下運行的與CMOS兼容、高性能鍺硅SPAD，其噪聲等效功率比之前的基于 Ge的SPAD提高了2-3.5個數量級。暗計數率、1,310nm處單光子檢測概率、定時抖動、后脈沖特征時間和后脈沖概率等關鍵參數分別為19kHz?μm?2、12%、188?ps、~90ns 和 <1%，具有 10.26?V 的低擊穿電壓和 0.75?V 的小過量偏壓。這項工作為在日常生活中使用單光子敏感短波紅外傳感器、成像儀和光子集成電路鋪平了道路。此外，作者指出，未來的方向包括（1）縮小器件面積，開發間距小于10μm的傳感和成像像素； (2)最小化接觸電阻；(3)通過晶圓級鍵合與CMOS電路異質集成。

GeSiSPAD器件的基準和概念

作者報告了采用CMOS兼容制造工藝制造的15 μm直徑的鍺硅(GeSi)SPAD，并在室溫下對其進行表征，以證明其高性能。作者定義了噪聲等效功率(NEP)以對文獻中報道的SPAD進行基準測試。結果表明，GeSiSPAD噪聲等效功率比之前的基于 Ge的SPAD提高了2-3.5個數量級。此外，所演示的GeSi SPAD的后脈沖特征時間比基于InGaAs的SPAD短得多。GeSiSPAD 通過有效屏蔽低質量 Ge 側壁的高電場，實現了暗電流的減少，作者展示了其原理圖。

圖1 之前報道的Ge基和InGaAs基SPAD的NEP和工作溫度

圖2 所演示的GeSi SPAD的橫截面原理圖概念、SEM圖像和I-V特性

GeSiSPAD器件表征

作者展示了晶圓級測試的I-V測量結果，獲得了室溫下最低的基于Ge的APD或SPAD初級暗電流和最低的DCR。隨溫度升高每10°C， DCR增加約為2.5倍，表明Ge中能級接近Ge帶邊緣的缺陷是產生DCR的原因，因此可以通過優化制造工藝進一步最小化 DCR。進一步地，通過后脈沖等更多參數的測量表明所展示的GeSi SPAD的性能可能已經優于之前報道的一些基于 InGaAs的SPAD。

圖3 演示的GeSi SPAD的計數特性

激光雷達系統演示

作為概念證明，作者演示了將GeSi SPAD用于基于直接TOF技術的LIDAR。 3D掃描和成像是通過用同軸收發器替換可變光學衰減器來完成的，同軸收發器使用x-y振鏡來控制發射的激光脈沖并沿著同一光路收集返回的激光脈沖。演示結果證明了基于激光雷達的GeSi SPAD 的直接TOF技術潛力。

審核編輯：黃飛

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