關於SPAD 技術的Photonics Spectra 專題文章

PI Imaging Technology 和 PicoQuant 共同撰寫了有關單光子雪崩二極體（SPAD）在多種應用中的價值和影響

在Photonics Spectra 雜誌5 月刊的一篇專題文章中，Pi Imaging Technology 的 Ivan Michel Antolovi 和 PicoQuant總經理 Rainer Erdmann 撰寫了關於 SPAD 技術的發展如何徹底改變了共聚焦顯微鏡和其他需要光子計數探測器提高空間和時間解析度的領域。SPAD陣列為共聚焦顯微鏡系統的發展提供了絕佳的契機會，因為SPAD 陣列很可能改善包括 SNR、採集速度、激發強度閾值以及空間和時間解析度所有關鍵引數，而與此同時幾乎不會增加系統的複雜性。

單光子雪崩二極體（SPAD）對空間和時間解析度的提升

隨著這些探測器在效能和精密性方面的延展， 它們在天文學和生命科學領域的價值和影響力與日俱增。

MICHEL ANTOLOVIC， PI IMAGING TECHNOLOGY， 和RAINER ERDMANN， PICOQUANT GMBH

顧名思義，單光子雪崩二極體（SPADs）可以探測光的單個粒子，而且時間精度達到皮秒量級。單畫素SPADs在天文學、流式細胞術、熒光壽命成像顯微（FLIM）、粒度測定、量子計算、量子金鑰分發和單分子檢測等領域得到了廣泛的應用。然而，在過去的十年裡，SPADs系列探測器透過結合互補型金氧半導體（CMOS）技術， 形成了陣列式成像探測結構， 可以在相對緊湊以及合理的情況下增加SPAD陣列的畫素個數。

上圖：為512 × 512單光子雪崩二極體（SPAD） 成像探測器，下圖：為單個單元的近照。

圖片來自Pi Imaging Technology

與單畫素SPAD相比，陣列型探測器提升了空間解析度以及信噪比（SNR）。例如，在共聚焦顯微鏡應用中，陣列中的每個畫素都可以充當一個虛擬小針孔，帶來更好的橫向和縱向解析度，這樣的多畫素再共同從實際的顯微鏡針孔中收集訊號。

然而，早期使用CMOS技術製造的SPAD陣列表現出低靈敏度和高噪聲等問題。由於每個SPAD單元需要獨立的保護環以及整合對應的電子學元件，因此基於這些探測器陣列存在填充因子低的問題。

最近，隨著裝備工藝的提升、設計的改進，以及微光學元件的最佳化，使得陣列型SPAD能夠克服這些限制，使靈敏度和信噪比達到單畫素探測裝置的水平。

因此，SPAD陣列和成像探測器的興起，大大的提升了空間和時間的解析度水平，使共焦顯微鏡及其他光子計數應用領域發生了革命性的變化。

為什麼使用SPAD？

雖然傳統的光敏探測器、光電二極體和許多雪崩光電二極體在量子效率方面有較高的靈敏度，但SPADs的優勢在於， 接收弱光訊號時， 有較高的信噪比（圖 1 和圖 2）。

圖 1。 靈敏度為 50% 的 SPAD 與靈敏度為 80% 的典型光電二極體之間的信噪比 （SNR） 比較，兩者的等效讀出噪聲均為 10 e（僅代表高速讀出模式）。由Pi Imaging Technology提供。

弱光訊號一般來自微弱的發光源，例如小顆粒、低透射樣品，或者在高速下掃描成像。除了在檢測弱光訊號時表現出高 信噪比（SNR）之外，SPAD在測量事件時間時也特別的精確（<150 ps）。這歸功於它們強大的電荷倍增增益。以上這些特點使得SPADs探測器在上表所示的領域中具有廣泛的應用前景。

早期的單點式探測器在定製過程中的拓展性很差。2003 年，研究人員開始使用標準 CMOS 技術來構建SPAD陣列。這種設計和生產平臺的變化為可靠地生產高畫素數 SPAD探測器，以及發明和整合用於淬滅和再充電、時間標記和光子計數功能的新型畫素電路開闢了可能性。在資料採集方面， 此種裝置既支援單SPAD脈衝輸出， 也支援全數字化訊號處理。

圖 2。 具有 80% 靈敏度和 10 e等效讀出噪聲的光二極體（僅代表高速讀出模式）（上圖）和具有 50% 靈敏度的 SPAD（下圖）之間信噪比（SNR）差異的對比，平均每個畫素光子累積數為10。由 Pi Imaging Technology提供。

在隨後的十年中，大家在SPAD陣列高時間精度方面的研究投入了大量的人力、物力和財力。因此在這方面應運而生了各種結構設計以及應用例項。儘管該技術被大量整合到智慧手機中， 用於對距離做出感應， 來決定是否從鎖屏狀態啟用。但是其中最具前景的應用方向還是在鐳射雷達上使用SPAD陣列。

基於SPADs技術潛力的研究，同樣也拓展到了生物醫學領域，例如拉曼光譜學、熒光壽命成像（FLIM）和正電子發射斷層掃描（PET）。這些領域的研究人員提出了非常先進架構的探測器系統，目的是透過時間門控來增強拉曼檢測，利用畫素並行化來避免FLIM中的堆積效應，並透過利用SPAD時間解析度來提高PET空間解析度。然而，SPAD技術較低的靈敏度、較高的噪聲和較長的創新週期，使得其在上述領域的應用遲遲沒有展開。

然而，在過去十年中取得的進步已將SPAD陣列的探測效率從峰值30%提升到了高於50%，並將暗噪聲從典型的每秒100計數（cps）/m

2

降低到小於1cps/ m

2。1，2

CMOS SPADs面臨的挑戰

許多早期的CMOS SPAD設計中，使用 0。35-m的製造工藝，其中使用標準層來建立SPAD的P-N結。為了使器件能夠在雪崩模式下工作，會給器件施加高電場（~0。5 MV/cm），而此時，P-N結的效能表現不太理想。在大多數情況下，表面和矽雜質以及不可控制的橫向電場也會增加探測器的噪聲。因為開發人員通常製造具有高摻雜的淺層來實現高電場，導致靈敏度也不是最佳的。淺結將會導致探測效率較低，靈敏度峰值藍移。

隨著更先進的半導體工藝的發展，SPAD陣列開始使用180-、110-、65-和40-nm的工藝節點，以改善SPAD器件的功能，並構建更先進的架構。然而，在許多情況下，在較小的半導體節點中應用較高的摻雜和淺層也會導致SPAD的效能較差。

此外，相比於傳統探測器， SPADs還需要寬度約為1到2m的橫向保護環和其他更多的電子元件。使得探測器的幾何填充因子更低（低於3%）， 從而進一步的降低了探測器的靈敏度。

要想從根本上大幅度提高SPADs的畫素解析度，不僅在過去，現在仍然充滿了挑戰性。主要有下面三大原因：因為保護環的存在， SPADs的單個畫素尺寸比其他器件體積大很多。與傳統光電二極體相比，它們由於訊號幅度更大而消耗更多功率。然後就是SPADs在時間-事件模式下單位時間內產生更多資料。

然而，SPAD開發人員和CMOS晶圓廠之間的密切合作，透過在半導體工藝流程中新增SPAD特定層、SPAD保護環的設計創新，以及透過微透鏡實現填充因子提升，都幫助SPAD技術克服了許多靈敏度和噪聲的挑戰。

新型架構同樣也使得SPADs的功耗和資料傳輸量被相應的減少，新架構包含儘量貼近SPAD畫素來進行光子選擇性接收的功能，例如在SPAD成像探測器中的時間門控技術，透過時間相關性對時間標記事件過濾，以及透過非線性特徵對光子計數進行有效壓縮。

在這些協同效應的共同作用下，最終帶來了高畫素SPAD 成像探測器的問世，其中就包含512 × 512畫素和更高畫素尺寸的SPAD成像探測器（

參見文章開頭的探測器影象

）。

SPADs的應用

時間分辨共聚焦顯微學作為一種強大的工具已經被成熟地應用於生命科學的科研領域。它可以實現分子動態學的量化測量，細胞環境的探測，以及蛋白互作的研究。共聚焦顯微鏡在具有絕佳空間解析度的同時，透過精確的控制激發光能量，極大的減小了光毒性。但是，共聚焦顯微鏡必須在訊號強度和解析度之間進行平衡：更小的針孔帶來更高的共聚焦性，意味著更高的解析度和更好的區域選擇性，但是訊號強度也會隨之降低。

當應用於影象掃描顯微鏡（ISM）時，SPAD 陣列消除了這種平衡制約關係，可以在提高空間解析度的同時，提升訊號強度。ISM利用畫素陣列代替傳統的單點檢測器來從不同角度記錄多個影象，從而提高了共聚焦顯微鏡的空間解析度。每個SPAD畫素作為一個虛擬小針孔，具有良好的橫向和縱向解析度，同時多個畫素又共同的從一個虛擬的大針孔收集訊號。再經過畫素再賦值的方法，獲得一個解析度得到提高的最終影象（圖3）。

圖 3。 緊湊型 SPAD 微陣列晶片，23個畫素（上圖），以及用於影象掃描顯微鏡應用的探測器模組（下圖）。由 Pi Imaging Technology提供。

FLIM（熒光壽命成像）是一種集成於共聚焦顯微的強大實驗工具，它常被用於動態活體細胞成像和透過福斯特共振能量轉移（FLIM-FRET）來進行蛋白互作研究（圖4）。FLIM在材料領域也有廣泛的應用前景，例如研究半導體的特性和載流子擴散的過程。

圖 4。 鼠胚胎組織的熒光壽命成像（FLIM）圖片。使用單光子計數共聚焦顯微鏡記錄。由 PicoQuant 提供。

許多物質 - 包括有機熒光團，熒光蛋白和奈米顆粒（例如量子點和奈米金剛石） -透過熒光過程吸收光能併發射光子。每一種發射熒光的物質都具有熒光壽命特徵，它代表其在迴歸基態之前的電子激發態所處的時間長度。

FLIM產生的影象是基於激發態衰減率進行成像的，影象的對比度差別是基於每個熒光團的壽命，而不是發射光譜波長。FLIM成像由一個2D的畫素網格構成，這些網格將樣品分割為多個相同大小的區域。每個區域的壽命由時間相關單光子計數的平均值決定。這項技術將激發光分別移動到各個分割的區域來採集發射的光子，再透過單畫素探測器（例如SPAD）來收集發射光子的抵達時間資訊。每個畫素的光子抵達時間資訊被歸納到一個柱狀圖中，再透過數學方法，從該柱狀圖提取熒光壽命資訊。

FLIM技術同樣從SPAD陣列架構中受益，畫素獨立並行，能在穩定計數率的同時提高掃描成像的速度。整合有時間門控功能的SPAD成像探測器可以將FLIM技術整合到非共聚焦顯微系統中，從而拓展其應用範圍，例如一些在生物學科領域的空間多路複用，包括基因組學，蛋白質組學，及其他有機”-組”學領域。

另一個能被SPAD技術有效提升的領域是高速成像領域，該領域通常都會受到低信噪比的制約。由於較短的積分時間，高速成像採集到的有效光子數偏低，而且會引起畫素模糊，同時更快的讀取速度帶來了更多的噪音。SPAD成像探測器可以很好的消除這些噪音並提供泊松最大化的信噪比。

時機成熟

得益於CMOS SPAD技術的巨大發展，更多先進的SPAD陣列和成像探測器開始出現，它們不僅對共聚焦顯微學產生了革新，對其他需要提升光子計數探測器的空間和時域解析度的領域也起到了很大的幫助。

SPAD陣列為共聚焦顯微鏡系統的發展提供了絕佳的契機，因為SPAD 陣列很可能改善包括 SNR、採集速度、激發強度閾值以及空間和時間解析度所有關鍵引數，而與此同時幾乎不會增加系統的複雜性。

與此同時，SPAD陣列也為拓展FLIM技術在醫藥研發，內科診斷，和手術輔助等領域的應用提供了機會。另一方面，和電子倍增CCD一樣，SPAD成像探測也進一步具有了拓展高階成像探測系統功能性的潛力。

作者介紹

Michel Antolovic 是 Pi Imaging Technology 的執行長，該公司開發並商業化先進的SPAD陣列和CMOS技術的影象探測器。他在半導體技術和光子學方面擁有豐富的背景知識；

Rainer Erdmann 是 PicoQuant GmbH 的創始人兼總經理，該公司主要聚焦於研發和生產面向廣泛科學應用領域的高質量光子元器件和時間分辨熒光儀器；

參考文獻

1。 I。M。 Antolovic et al。 （2018）。 Dynamic range extension for photon counting arrays。 Opt Express， Vol。 26， No。 17， pp。 22234-22248，

www。doi。org/10。1364/oe。26。022234。

2。 S。 Mandai et al。 （2012）。 A wide spectral range single-photon avalanche diode fabricated in an advanced 180 nm CMOS technology。 Opt Express， Vol。 20， No。 6， pp。 5849-5857，

www。doi。org/10。1364/oe。20。005849。

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