單光子雪崩二極體（SPADs）在飛行時間成像和激光雷達等應用中至關重要。3D堆疊技術使得SPAD裝置更小、更敏感且能耗更低，因此非常適合便攜式應用。本研究提出了一個間距為10.17微米的背照式3D堆疊SPAD，並使用40奈米CMOS製程。此堆疊結合了為光學優化的自定義頂層與緊湊低功耗的40奈米底層。並針對繼續擴展SPAD技術所需的低功耗和高速運作設計了新穎的像素電路。
背照式設計使得近紅外線敏感度比之前的正面裝置提高了10倍。經過優化的表面紋理進一步增強了吸收能力4倍，使得在940納米波長下的光子檢測效率（PDE）高達18.5％。
這得益於垂直二極管結構，能夠在60°C時實現低擊穿電壓（VBD）為18.6V，以及每脈衝的最小電荷量（CPP）為70fC，大幅降低能耗。
新型像素電路展示了以僅2.5V的過量偏壓達到85Mcps的最快最大計數率（MCR），減少了對更小像素的需求。
值得注意的是，這種性能在-20°C至80°C範圍內保持穩定，PDE、抖動（119ps FWHM）、速度和功率的變化均不超過15％。
通過實施3D集成並定制光學、摻雜和電路，這項工作實現了最先進的敏感度和噪聲，並取得了突破性的速度和功率指標。
3D堆疊技術
背照式處理
雪崩二極體設計
像素電路設計
特性測試
與最新像素性能的比較
這項研究中優化的3D堆疊技術和新穎的像素電路，對於SPAD陣列來說是一個重大的突破。高靈敏度、低功耗和高速度將有助於LIDAR和便攜式成像等應用。對於單光子檢測的進展，需要進一步擴展密集、低功耗的SPAD陣列。這項研究展示了一個有效的解決方案，利用3D整合和優化的像素設計。
Fig. 1. 我們的背照式3D堆疊SPAD像素剖面。
Fig. 4. 在60°C下，光子檢測效率與波長和過量偏壓的關係。
Fig. 8.在60°C下，光計數率（LCR）與過量偏壓的測量。最大計數率（MCR）值對應於每條LCR曲線的峰值。
