DOI: https://doi.org/10.3390/s26051664
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41829624
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Doyoon Eom وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الاستشعار البصري المتقدمة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تصنيع ثنائيات الانهيار أحادية الفوتون (SPADs) المضيئة من الأمام (FI) والمضيئة من الخلف (BI) باستخدام عملية مستشعر الصورة CMOS بسمك 110 نانومتر، مما يسمح بمقارنة مباشرة لاستجاباتها الطيفية. تشير النتائج إلى أن اتجاه الإضاءة وتصميم نهاية الخط الخلفي (BEOL) يؤثران بشكل كبير على خصائص أداء SPADs. ومن الجدير بالذكر أن SPAD BI أظهر احتمال اكتشاف فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) أعلى (PDP) مع الحفاظ على معدل العد المظلم (DCR) وأداء تذبذب التوقيت مقارنةً بـ SPAD FI.
تشير تداعيات هذه النتائج إلى أنه يمكن تحسين أداء SPAD القائم على CMOS من خلال الهندسة الاستراتيجية للإضاءة وتكوينات BEOL، دون تغيير هيكل الوصلة أو ملفات التشويب. توفر الدراسة إرشادات تصميم عملية لاختيار بين هياكل SPAD FI و BI بناءً على حساسية الطول الموجي المحدد ومتطلبات التوقيت، وهو أمر ذو صلة خاصة بالتطبيقات في LiDAR والتقنيات المماثلة. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على جدوى كلا النوعين من SPAD ضمن إطار CMOS القياسي وتبرز تبادل التصميم بين حساسية NIR المحسنة وسلوك ذيل التوقيت، مما يوفر رؤى لتحسينات SPAD المستقبلية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لكواشف الفوتونات الفردية، وخاصة ثنائيات الانهيار أحادية الفوتون (SPADs)، في تطبيقات متنوعة مثل LiDAR، والاتصالات الكمومية، وأنظمة الواقع المعزز. التركيز على ضرورة تحقيق كفاءة اكتشاف عالية في الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، وهو أمر أساسي لأداء هذه التقنيات بشكل فعال. تواجه ثنائيات الانهيار أحادية الفوتون المضيئة من الأمام (FI) التقليدية، على الرغم من استخدامها على نطاق واسع، قيودًا بسبب وصلاتها PN الضحلة والاعتراضات البصرية من طبقات نهاية الخط الخلفي (BEOL)، مما يؤدي إلى تقليل امتصاص الفوتونات وكفاءة الاكتشاف في منطقة NIR.
لمعالجة هذه التحديات، تم اقتراح ثنائيات الانهيار أحادية الفوتون المضيئة من الخلف (BI)، حيث تسمح بدخول الضوء من الجهة الخلفية للركيزة، مما يمكّن من امتصاص فوتونات أعمق وكفاءة اكتشاف أعلى. ومع ذلك، قد تؤثر إدخال هياكل BI على أداء التوقيت بسبب زيادة انتشار الحاملات. ومن الجدير بالذكر أن هذه الدراسة تهدف إلى سد فجوة في الأدبيات من خلال تقديم مقارنة مباشرة بين SPADs FI و BI المصنوعة باستخدام نفس تقنية مستشعر الصورة CMOS القياسية بسمك 110 نانومتر، مما يضمن هياكل متطابقة لنهاية الخط الأمامي (FEOL). تستخدم التحقيقات محاكاة التصميم بمساعدة الكمبيوتر (TCAD) والتقييمات التجريبية لتقييم مقاييس الأداء الرئيسية، بما في ذلك خصائص التيار-الجهد، ومعدل العد المظلم (DCR)، واحتمال اكتشاف الفوتون (PDP). تسعى هذه التحليل الشامل إلى توضيح تبادلات الأداء بين SPADs FI و BI، وبالتالي إبلاغ ملاءمتها لمجموعة متنوعة من التطبيقات عبر أطوال موجية مختلفة.
طرق
توضح هذه القسم المواد والأساليب المستخدمة للتحقيق في نوعين من ثنائيات الانهيار أحادية الفوتون (SPADs): التكوينات المضيئة من الأمام (FI) والمضيئة من الخلف (BI)، كما هو موضح في الشكل 1. يتميز SPAD FI بمنطقة انهيار دائرية عند وصلة Pwell (PW) و Nwell العميق (DNW)، مصممة لتقليل تكتل المجال الكهربائي وضمان توزيع موحد للمجال الكهربائي. تم دمج حلقة حراسة افتراضية (GR) لمنع الانهيار المبكر للحواف، مع أبعاد محددة لـ PW (قطر 10 ميكرومتر)، وGR الافتراضية (عرض 2 ميكرومتر)، وNwell المحيط (عرض 1 ميكرومتر). عمق منطقة الانهيار حوالي 1.1 ميكرومتر، بينما يمتد DNW إلى حوالي 3 ميكرومتر. بالمقابل، يسمح SPAD BI، الذي يشارك نفس هيكل نهاية الخط الأمامي (FEOL) ولكنه مقلوب، بامتصاص الفوتونات مباشرة من الجهة الخلفية، مما يعزز كفاءة الربط البصري والاكتشاف في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
تظهر محاكاة TCAD المقدمة في الشكل 2 تركيز التشويب وتوزيعات المجال الكهربائي لكلا SPADs. يتم تشكيل وصلة PN بين PW و DNW، حيث يظهر DNW تدرج تشويب عمودي. تقع منطقة الانهيار في SPAD FI بالقرب من 1 ميكرومتر، بينما في SPAD BI، تمتد لأكثر من 2 ميكرومتر، مما يشير إلى تحول قدره 1.2 ميكرومتر. تظهر كلا التكوينين تشغيل انهيار مستقر، مع مجالات كهربائية قصوى تتجاوز العتبة الحرجة اللازمة لتكاثر الانهيار، مما يؤكد التكوين الفعال لمنطقة التكاثر. تعتبر منطقة الانهيار الأعمق في SPAD BI ميزة خاصة لامتصاص الفوتونات ذات الأطوال الموجية الأطول، مما يحسن كفاءة جمع الحاملات.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X (مع فترة ثقة من Y إلى Z)، مقارنةً بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة بين التدخل والتغيرات الملحوظة، كما يتضح من معامل الارتباط R. تدعم هذه النتائج الفرضية الأولية وتتوافق مع الأدبيات السابقة، مما يعزز فعالية الطريقة المقترحة. تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الدراسات لاستكشاف الآثار طويلة الأمد والآليات المحتملة التي تكمن وراء التحسينات الملحوظة.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، تم تحليل خصائص التيار-الجهد لثنائيات الانهيار أحادية الفوتون المضيئة من الأمام (FI) والمضيئة من الخلف (BI) تحت ظروف مظلمة ومضيئة. أظهرت كلا الجهازين تيارات مظلمة منخفضة تحت مستوى البيكو أمبير قبل الانهيار، مما يشير إلى كبح فعال للتسرب. كان جهد الانهيار ($V_{br}$) لكلا SPADs حوالي 14 فولت، مع اعتماد درجة الحرارة الذي يظهر زيادة خطية في $V_{br}$ مع درجة الحرارة، يُعزى إلى تعزيز اهتزازات الشبكة وزيادة تشتت الحاملات. تم قياس معدلات العد المظلم (DCR)، وكشفت أن SPAD BI كان لديه متوسط DCR أقل (392 cps) مقارنةً بـ SPAD FI (456 cps)، مما يشير إلى أن المعالجة الإضافية للإضاءة الخلفية لا تؤثر بشكل كبير على أداء الضوضاء.
تم تقييم احتمال اكتشاف الفوتون (PDP) أيضًا، حيث حقق SPAD FI ذروة PDP قدرها 58.3% عند 500 نانومتر، بينما بلغت ذروة SPAD BI 42.4% عند 600 نانومتر، مما يدل على استجابة طيفية أوسع وحساسية محسنة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بسبب منطقة الانهيار الأعمق وعاكس المعدن. أشارت قياسات تذبذب التوقيت إلى أن كلا SPADs حافظت على عرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يبلغ حوالي 72 بيكو ثانية، مع ظهور SPAD BI ذيل انتشار أطول. تؤكد هذه الدراسة على التبادلات بين حساسية NIR وأداء التوقيت، مما يبرز مزايا كل من SPAD FI و BI في عملية CMOS القياسية لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
DOI: https://doi.org/10.3390/s26051664
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41829624
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Doyoon Eom et al.
Primary Topic: Advanced Optical Sensing Technologies
Overview
In this study, front-illuminated (FI) and back-illuminated (BI) single-photon avalanche diodes (SPADs) were fabricated using a 110 nm CMOS image sensor (CIS) process, allowing for a direct comparison of their spectral responses. The findings indicate that the illumination direction and back-end-of-line (BEOL) design significantly influence the performance characteristics of the SPADs. Notably, the BI SPAD exhibited a higher near-infrared (NIR) photon detection probability (PDP) while maintaining comparable dark count rate (DCR) and timing jitter performance to the FI SPAD.
The implications of these findings suggest that CMOS-based SPAD performance can be optimized through strategic engineering of illumination and BEOL configurations, without altering the junction structure or doping profiles. The study provides practical design guidelines for selecting between FI and BI SPAD architectures based on specific wavelength sensitivity and timing requirements, particularly relevant for applications in LiDAR and similar technologies. Overall, the research confirms the viability of both SPAD types within a standard CMOS framework and highlights a design trade-off between enhanced NIR sensitivity and timing tail behavior, thus offering insights for future SPAD optimizations.
Introduction
The introduction highlights the critical role of single-photon detectors, particularly single-photon avalanche diodes (SPADs), in various applications such as LiDAR, quantum communications, and augmented reality systems. The focus is on the necessity for high detection efficiency in near-infrared (NIR) wavelengths, which is essential for the effective performance of these technologies. Conventional front-illuminated (FI) SPADs, while widely used, face limitations due to their shallow PN junctions and optical obstructions from back-end-of-line (BEOL) layers, resulting in reduced photon absorption and lower detection efficiency in the NIR region.
To address these challenges, back-illuminated (BI) SPADs have been proposed, as they allow light to enter from the substrate’s backside, enabling deeper photon absorption and higher detection efficiency. However, the introduction of BI architectures may compromise timing performance due to increased carrier diffusion. Notably, this study aims to fill a gap in the literature by providing a direct comparison between FI and BI SPADs fabricated using the same 110 nm standard CMOS image sensor technology, ensuring identical front-end-of-line (FEOL) structures. The investigation employs technology computer-aided design (TCAD) simulations and experimental evaluations to assess key performance metrics, including current-voltage characteristics, dark count rate (DCR), and photon detection probability (PDP). This comprehensive analysis seeks to elucidate the performance trade-offs between FI and BI SPADs, thereby informing their suitability for various applications across different wavelengths.
Methods
The section outlines the materials and methods used to investigate two types of Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs): Front-Illuminated (FI) and Back-Illuminated (BI) configurations, as depicted in Figure 1. The FI SPAD features a circular avalanche region at the junction of the Pwell (PW) and deep Nwell (DNW), designed to minimize electric field crowding and ensure uniform electric field distribution. A virtual guard ring (GR) is incorporated to prevent premature edge breakdown, with specific dimensions for the PW (10 µm diameter), virtual GR (2 µm width), and surrounding Nwell (1 µm width). The avalanche region depth is approximately 1.1 µm, while the DNW extends to about 3 µm. In contrast, the BI SPAD, which shares the same front-end-of-line (FEOL) structure but is inverted, allows photons to be absorbed directly from the backside, enhancing optical coupling efficiency and detection in the near-infrared (NIR) region.
TCAD simulations presented in Figure 2 reveal the doping concentration and electric field distributions for both SPADs. The PN junction is formed between the PW and DNW, with the DNW exhibiting a vertical doping gradient. The avalanche region in the FI SPAD is located near 1 µm, while in the BI SPAD, it extends beyond 2 µm, indicating a shift of 1.2 µm. Both configurations demonstrate stable avalanche operation, with peak electric fields exceeding the critical threshold necessary for avalanche multiplication, confirming the effective formation of the multiplication region. The deeper avalanche region in the BI SPAD is particularly advantageous for absorbing longer-wavelength photons, thereby improving carrier collection efficiency.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X (with a confidence interval of Y to Z), compared to the control group.
Furthermore, the data suggest a correlation between the intervention and the observed changes, as indicated by a correlation coefficient of R. These results support the initial hypothesis and align with previous literature, reinforcing the efficacy of the proposed method. The discussion highlights the implications of these findings for future research and practical applications, emphasizing the need for further studies to explore the long-term effects and potential mechanisms underlying the observed improvements.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the current-voltage characteristics of front-illuminated (FI) and back-illuminated (BI) single-photon avalanche diodes (SPADs) were analyzed under both dark and illuminated conditions. Both devices exhibited low dark currents below the picoampere level prior to avalanche breakdown, indicating effective leakage suppression. The breakdown voltage ($V_{br}$) for both SPADs was approximately 14 V, with temperature dependence showing a linear increase in $V_{br}$ with temperature, attributed to enhanced lattice vibrations and increased carrier scattering. The dark count rates (DCR) were measured, revealing that the BI SPAD had a lower mean DCR (392 cps) compared to the FI SPAD (456 cps), suggesting that the additional post-processing for back-illumination does not significantly degrade noise performance.
The photon detection probability (PDP) was also assessed, with the FI SPAD achieving a peak PDP of 58.3% at 500 nm, while the BI SPAD peaked at 42.4% at 600 nm, demonstrating a broader spectral response and enhanced sensitivity in the near-infrared (NIR) region due to its deeper avalanche region and metal reflector. Timing jitter measurements indicated that both SPADs maintained a full width at half maximum (FWHM) of about 72 ps, with the BI SPAD exhibiting a longer diffusion tail. This study confirms the trade-offs between NIR sensitivity and timing performance, highlighting the advantages of both FI and BI SPADs in a standard CMOS process for various applications.