SPAD単一光子アバランシェ光検出器

SPAD単一光子アバランシェ光検出器

SPAD光検出器センサーが初めて導入された当初は、主に低照度環境での検出に使用されていました。しかし、性能の進化とシーン要件の進化に伴い、SPAD光検出器センサーは、自動車レーダー、ロボット、無人航空機といったコンシューマー向け用途でますます普及しています。SPAD光検出器センサーは、高感度と低ノイズ特性により、高精度の奥行き検知と低照度下での撮像を実現する理想的な選択肢となっています。

PN接合をベースとする従来のCMOSイメージセンサー（CIS）とは異なり、SPAD光検出器のコア構造はガイガーモードで動作するアバランシェダイオードです。物理的メカニズムの観点から見ると、SPAD光検出器の複雑性はPN接合デバイスよりもはるかに高くなっています。これは主に、高い逆バイアス下では、不均衡キャリアの注入、熱電子効果、欠陥状態に起因するトンネル電流などの問題が発生する可能性が高くなることに反映されています。これらの特性により、SPAD光検出器は設計、プロセス、回路アーキテクチャの各レベルで深刻な課題に直面しています。

一般的なパフォーマンスパラメータSPADアバランシェ光検出器ピクセルサイズ（Pixel Size）、暗計数ノイズ（DCR）、光検出確率（PDE）、デッドタイム（DeadTime）、応答時間（Response Time）などです。これらのパラメータは、SPADアバランシェ光検出器の性能に直接影響します。例えば、暗計数率（DCR）は検出器ノイズを定義する重要なパラメータであり、SPADが単一光子検出器として機能するためには、ブレークダウンよりも高いバイアスを維持する必要があります。光検出確率（PDE）はSPADの感度を決定します。アバランシェ光検出器電界の強度と分布によって影響を受けます。さらに、デッドタイムはSPADがトリガーされた後、初期状態に戻るまでの時間であり、最大光子検出率とダイナミックレンジに影響を与えます。

SPADデバイスの性能最適化においては、コア性能パラメータ間の制約関係が大きな課題となっています。例えば、ピクセルの微細化はPDEの減衰に直結し、また、サイズの微細化に伴うエッジ電界の集中はDCRの急激な増加を引き起こします。デッドタイムの​​短縮はポストインパルスノイズを誘発し、時間ジッタの精度を低下させます。現在、最先端のソリューションでは、DTI/保護ループ（クロストーク抑制とDCR低減）、ピクセル光学最適化、新材料の導入（赤外線応答を向上させるSiGeアバランシェ層）、3次元積層型アクティブクエンチング回路などの手法を通じて、ある程度の協調最適化を実現しています。