SPAD（単一光子アバランシェフォトディテクタ）

SPAD単一光子アバランシェフォトディテクタ

SPAD光検出器センサーが最初に導入されたとき、それらは主に低照度検出シナリオで使用されました。しかし、その性能の進化とシーンの要求の発展に伴い、SPAD光検出器センサーは、自動車用レーダー、ロボット、無人航空機など、消費者向け用途でますます広く利用されるようになっている。SPAD光検出器センサーは、その高い感度と低ノイズ特性により、高精度な深度認識と低照度イメージングを実現するための理想的な選択肢となっている。

PN接合に基づく従来のCMOSイメージセンサー（CIS）とは異なり、SPADフォトディテクタ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。物理的なメカニズムの観点から見ると、SPADフォトディテクタの複雑さはPN接合デバイスよりも著しく高くなります。これは主に、高い逆バイアス下では、不均衡なキャリア注入、熱電子効果、欠陥状態によるトンネル電流などの問題が発生しやすくなるという事実に反映されています。これらの特性により、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アバランシェフォトディテクタピクセルサイズ（Pixel Size）、暗電流ノイズ（DCR）、光検出確率（PDE）、デッドタイム（DeadTime）、応答時間（Response Time）などが含まれます。これらのパラメータは、SPADアバランシェフォトディテクタの性能に直接影響します。例えば、暗電流ノイズ（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は単一光子検出器として機能するために、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。雪崩光検出器また、電界の強度と分布によって影響を受けます。さらに、デッドタイムとは、SPADがトリガーされた後に初期状態に戻るのに必要な時間であり、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、コア性能パラメータ間の制約関係は大きな課題です。例えば、画素の小型化はPDE減衰に直接つながり、サイズ小型化によって生じるエッジ電界の集中はDCRの急激な増加を引き起こします。デッドタイムを短縮すると、インパルス後ノイズが発生し、時間ジッタの精度が低下します。現在、最先端のソリューションでは、DTI/保護ループ（クロストークの抑制とDCRの低減）、画素光学最適化、新素材の導入（赤外線応答を強化するSiGeアバランシェ層）、および3次元積層アクティブ消光回路などの手法により、ある程度の協調最適化を実現しています。