图 SPAD阵列器件噪声来源及抑制

　　在国家自然科学基金项目（批准号：61774152）资助下，中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室杨晓红研究员团队在InGaAs/InP单光子雪崩二极管阵列串扰抑制领域取得进展。研究成果以“载流子抽取结构在InGaAs/InP单光子雪崩二极管阵列中的高串扰抑制（High crosstalk suppression in InGaAs/InP single-photon avalanche diode arrays by carrier extraction structure）”为题，近期发表于《自然•通讯》（Nature Communications）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43341-9。

　　单光子雪崩二极管阵列具备探测单个光子的最极致探测灵敏度及远距离探测的优势；同时和硅基读出电路（ROIC）集成后可以准确记录返回光子时间，在深空光通讯、激光雷达等领域具有重要应用价值。阵列像素间的串扰限制其向更大的阵列规格和更高的像素密度发展，同时也限制阵列性能的进一步提升。低串扰的大规格、高像素密度单光子雪崩二极管阵列是高分辨率三维成像发展的必然趋势。目前主要通过在相邻像素间刻蚀隔离沟槽来物理隔离串扰，但引入的刻蚀损伤降低了平面型器件的可靠性和稳定性。因此，需要发展一种高可靠性、高稳定性以及高效的串扰抑制方案。

　　在该工作中，研究团队提出了一种基于电场疏导的载流子抽取结构，在未引入任何刻蚀损伤的前提下实现了大于90%的高效串扰抑制。该载流子抽取结构分布在阵列非像素区域，通过该结构以电场引导的方式将非像素区域的串扰光生载流子抽离有源工作区，实现了阵列像素间串扰和本征噪声的降低，同时还保持了平面型器件的高可靠性和高稳定性。

　　研究团队在理论和实验上验证了该结构的串扰抑制效果，在100 / 50 μm间距的像素中实现了91.52% / 96.22%的串扰抑制效果，为发展低串扰的大规格、高像素密度单光子雪崩二极管阵列提供一种新的解决思路。