關(guān)于SPAD 技術(shù)的Photonics Spectra 專(zhuān)題文章

PI Imaging Technology 和 PicoQuant 共同撰寫(xiě)了有關(guān)單光子雪崩二極管（SPAD）在多種應(yīng)用中的價(jià)值和影響

在Photonics Spectra 雜志5 月刊的一篇專(zhuān)題文章中，Pi Imaging Technology 的 Ivan Michel Antolovi? 和 PicoQuant總經(jīng)理 Rainer Erdmann 撰寫(xiě)了關(guān)于 SPAD 技術(shù)的發(fā)展如何徹底改變了共聚焦顯微鏡和其他需要光子計(jì)數(shù)探測(cè)器提高空間和時(shí)間分辨率的領(lǐng)域。SPAD陣列為共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的發(fā)展提供了絕佳的契機(jī)會(huì)，因?yàn)镾PAD 陣列很可能改善包括 SNR、采集速度、激發(fā)強(qiáng)度閾值以及空間和時(shí)間分辨率所有關(guān)鍵參數(shù)，而與此同時(shí)幾乎不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

單光子雪崩二極管（SPAD）對(duì)空間和時(shí)間分辨率的提升

隨著這些探測(cè)器在性能和精密性方面的延展, 它們?cè)谔煳膶W(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的價(jià)值和影響力與日俱增.

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

顧名思義，單光子雪崩二極管(SPADs)可以探測(cè)光的單個(gè)粒子，而且時(shí)間精度達(dá)到皮秒量級(jí)。單像素SPADs在天文學(xué)、流式細(xì)胞術(shù)、熒光壽命成像顯微(FLIM)、粒度測(cè)定、量子計(jì)算、量子密鑰分發(fā)和單分子檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在過(guò)去的十年里，SPADs系列探測(cè)器通過(guò)結(jié)合互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù), 形成了陣列式成像探測(cè)結(jié)構(gòu), 可以在相對(duì)緊湊以及合理的情況下增加SPAD陣列的像素個(gè)數(shù)。

以上圖片來(lái)自Pi Imaging Technology

與單像素SPAD相比，陣列型探測(cè)器提升了空間分辨率以及信噪比(SNR)。例如，在共聚焦顯微鏡應(yīng)用中，陣列中的每個(gè)像素都可以充當(dāng)一個(gè)虛擬小針孔，帶來(lái)更好的橫向和縱向分辨率，這樣的多像素再共同從實(shí)際的顯微鏡針孔中收集信號(hào)。

然而，早期使用CMOS技術(shù)制造的SPAD陣列表現(xiàn)出低靈敏度和高噪聲等問(wèn)題。由于每個(gè)SPAD單元需要獨(dú)立的保護(hù)環(huán)以及集成對(duì)應(yīng)的電子學(xué)元件，因此基于這些探測(cè)器陣列存在填充因子低的問(wèn)題。

最近，隨著裝備工藝的提升、設(shè)計(jì)的改進(jìn)，以及微光學(xué)元件的優(yōu)化，使得陣列型SPAD能夠克服這些限制，使靈敏度和信噪比達(dá)到單像素探測(cè)設(shè)備的水平。

因此，SPAD陣列和成像探測(cè)器的興起，大大的提升了空間和時(shí)間的分辨率水平，使共焦顯微鏡及其他光子計(jì)數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。

為什么使用SPAD？
雖然傳統(tǒng)的光敏探測(cè)器、光電二極管和許多雪崩光電二極管在量子效率方面有較高的靈敏度，但SPADs的優(yōu)勢(shì)在于, 接收弱光信號(hào)時(shí), 有較高的信噪比(圖 1 和圖 2)。

弱光信號(hào)一般來(lái)自微弱的發(fā)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(cè)弱光信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出高 信噪比(SNR)之外，SPAD在測(cè)量事件時(shí)間時(shí)也特別的精確(<150 ps)。這歸功于它們強(qiáng)大的電荷倍增增益。以上這些特點(diǎn)使得SPADs探測(cè)器在上表所示的領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。

早期的單點(diǎn)式探測(cè)器在定制過(guò)程中的拓展性很差。2003 年，研究人員開(kāi)始使用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 技術(shù)來(lái)構(gòu)建SPAD陣列。這種設(shè)計(jì)和生產(chǎn)平臺(tái)的變化為可靠地生產(chǎn)高像素?cái)?shù) SPAD探測(cè)器，以及發(fā)明和集成用于淬滅和再充電、時(shí)間標(biāo)記和光子計(jì)數(shù)功能的新型像素電路開(kāi)辟了可能性。在數(shù)據(jù)采集方面, ?此種設(shè)備既支持單SPAD脈沖輸出, 也支持全數(shù)字化信號(hào)處理。

在隨后的十年中，大家在SPAD陣列高時(shí)間精度方面的研究投入了大量的人力、物力和財(cái)力。因此在這方面應(yīng)運(yùn)而生了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用實(shí)例。盡管該技術(shù)被大量集成到智能手機(jī)中, 用于對(duì)距離做出感應(yīng), 來(lái)決定是否從鎖屏狀態(tài)激活。但是其中最具前景的應(yīng)用方向還是在激光雷達(dá)上使用SPAD陣列。

基于SPADs技術(shù)潛力的研究，同樣也拓展到了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如拉曼光譜學(xué)、熒光壽命成像(FLIM)和正電子發(fā)射斷層掃描(PET)。這些領(lǐng)域的研究人員提出了非常先進(jìn)架構(gòu)的探測(cè)器系統(tǒng)，目的是通過(guò)時(shí)間門(mén)控來(lái)增強(qiáng)拉曼檢測(cè)，利用像素并行化來(lái)避免FLIM中的堆積效應(yīng)，并通過(guò)利用SPAD時(shí)間分辨率來(lái)提高PET空間分辨率。然而，SPAD技術(shù)較低的靈敏度、較高的噪聲和較長(zhǎng)的創(chuàng)新周期，使得其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用遲遲沒(méi)有展開(kāi)。

然而，在過(guò)去十年中取得的進(jìn)步已將SPAD陣列的探測(cè)效率從峰值30%提升到了高于50%，并將暗噪聲從典型的每秒100計(jì)數(shù)(cps)/μm2?降低到小于1cps/ μm2.1,2

CMOS SPADs面臨的挑戰(zhàn)

許多早期的CMOS SPAD設(shè)計(jì)中，使用 0.35-μm的制造工藝，其中使用標(biāo)準(zhǔn)層來(lái)創(chuàng)建SPAD的P-N結(jié)。為了使器件能夠在雪崩模式下工作，會(huì)給器件施加高電場(chǎng)(~0.5 MV/cm)，而此時(shí)，P-N結(jié)的性能表現(xiàn)不太理想。在大多數(shù)情況下，表面和硅雜質(zhì)以及不可控制的橫向電場(chǎng)也會(huì)增加探測(cè)器的噪聲。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員通常制造具有高摻雜的淺層來(lái)實(shí)現(xiàn)高電場(chǎng)，導(dǎo)致靈敏度也不是最佳的。淺結(jié)將會(huì)導(dǎo)致探測(cè)效率較低，靈敏度峰值藍(lán)移。

隨著更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，SPAD陣列開(kāi)始使用180-、110-、65-和40-nm的工藝節(jié)點(diǎn)，以改善SPAD器件的功能，并構(gòu)建更先進(jìn)的架構(gòu)。然而，在許多情況下，在較小的半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用較高的摻雜和淺層也會(huì)導(dǎo)致SPAD的性能較差。

此外，相比于傳統(tǒng)探測(cè)器, SPADs還需要寬度約為1到2μm的橫向保護(hù)環(huán)和其他更多的電子元件。使得探測(cè)器的幾何填充因子更低(低于3%), 從而進(jìn)一步的降低了探測(cè)器的靈敏度。

要想從根本上大幅度提高SPADs的像素分辨率，不僅在過(guò)去，現(xiàn)在仍然充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)性。主要有下面三大原因：因?yàn)楸Ｗo(hù)環(huán)的存在, SPADs的單個(gè)像素尺寸比其他器件體積大很多。與傳統(tǒng)光電二極管相比，它們由于信號(hào)幅度更大而消耗更多功率。然后就是SPADs在時(shí)間-事件模式下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多數(shù)據(jù)。

然而，SPAD開(kāi)發(fā)人員和CMOS晶圓廠(chǎng)之間的密切合作，通過(guò)在半導(dǎo)體工藝流程中添加SPAD特定層、SPAD保護(hù)環(huán)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以及通過(guò)微透鏡實(shí)現(xiàn)填充因子提升，都幫助SPAD技術(shù)克服了許多靈敏度和噪聲的挑戰(zhàn)。

新型架構(gòu)同樣也使得SPADs的功耗和數(shù)據(jù)傳輸量被相應(yīng)的減少，新架構(gòu)包含盡量貼近SPAD像素來(lái)進(jìn)行光子選擇性接收的功能，例如在SPAD成像探測(cè)器中的時(shí)間門(mén)控技術(shù)，通過(guò)時(shí)間相關(guān)性對(duì)時(shí)間標(biāo)記事件過(guò)濾，以及通過(guò)非線(xiàn)性特征對(duì)光子計(jì)數(shù)進(jìn)行有效壓縮。

在這些協(xié)同效應(yīng)的共同作用下，最終帶來(lái)了高像素SPAD 成像探測(cè)器的問(wèn)世，其中就包含512 × 512像素和更高像素尺寸的SPAD成像探測(cè)器(參見(jiàn)文章開(kāi)頭的探測(cè)器圖像)。

SPADs的應(yīng)用

時(shí)間分辨共聚焦顯微學(xué)作為一種強(qiáng)大的工具已經(jīng)被成熟地應(yīng)用于生命科學(xué)的科研領(lǐng)域。它可以實(shí)現(xiàn)分子動(dòng)態(tài)學(xué)的量化測(cè)量，細(xì)胞環(huán)境的探測(cè)，以及蛋白互作的研究。共聚焦顯微鏡在具有絕佳空間分辨率的同時(shí)，通過(guò)精確的控制激發(fā)光能量，極大的減小了光毒性。但是，共聚焦顯微鏡必須在信號(hào)強(qiáng)度和分辨率之間進(jìn)行平衡：更小的針孔帶來(lái)更高的共聚焦性，意味著更高的分辨率和更好的區(qū)域選擇性，但是信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。

當(dāng)應(yīng)用于圖像掃描顯微鏡(ISM)時(shí)，SPAD 陣列消除了這種平衡制約關(guān)系，可以在提高空間分辨率的同時(shí)，提升信號(hào)強(qiáng)度。ISM利用像素陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單點(diǎn)檢測(cè)器來(lái)從不同角度記錄多個(gè)圖像，從而提高了共聚焦顯微鏡的空間分辨率。每個(gè)SPAD像素作為一個(gè)虛擬小針孔，具有良好的橫向和縱向分辨率，同時(shí)多個(gè)像素又共同的從一個(gè)虛擬的大針孔收集信號(hào)。再經(jīng)過(guò)像素再賦值的方法，獲得一個(gè)分辨率得到提高的最終圖像(圖3)。

FLIM(熒光壽命成像)是一種集成于共聚焦顯微的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)工具，它常被用于動(dòng)態(tài)活體細(xì)胞成像和通過(guò)福斯特共振能量轉(zhuǎn)移(FLIM-FRET)來(lái)進(jìn)行蛋白互作研究(圖4)。FLIM在材料領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景，例如研究半導(dǎo)體的特性和載流子擴(kuò)散的過(guò)程。

許多物質(zhì) - 包括有機(jī)熒光團(tuán)，熒光蛋白和納米顆粒(例如量子點(diǎn)和納米金剛石) -通過(guò)熒光過(guò)程吸收光能并發(fā)射光子。每一種發(fā)射熒光的物質(zhì)都具有熒光壽命特征，它代表其在回歸基態(tài)之前的電子激發(fā)態(tài)所處的時(shí)間長(zhǎng)度。

FLIM產(chǎn)生的圖像是基于激發(fā)態(tài)衰減率進(jìn)行成像的，圖像的對(duì)比度差別是基于每個(gè)熒光團(tuán)的壽命，而不是發(fā)射光譜波長(zhǎng)。FLIM成像由一個(gè)2D的像素網(wǎng)格構(gòu)成，這些網(wǎng)格將樣品分割為多個(gè)相同大小的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域的壽命由時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的平均值決定。這項(xiàng)技術(shù)將激發(fā)光分別移動(dòng)到各個(gè)分割的區(qū)域來(lái)采集發(fā)射的光子，再通過(guò)單像素探測(cè)器(例如SPAD)來(lái)收集發(fā)射光子的抵達(dá)時(shí)間信息。每個(gè)像素的光子抵達(dá)時(shí)間信息被歸納到一個(gè)柱狀圖中，再通過(guò)數(shù)學(xué)方法，從該柱狀圖提取熒光壽命信息。

FLIM技術(shù)同樣從SPAD陣列架構(gòu)中受益，像素獨(dú)立并行，能在穩(wěn)定計(jì)數(shù)率的同時(shí)提高掃描成像的速度。集成有時(shí)間門(mén)控功能的SPAD成像探測(cè)器可以將FLIM技術(shù)集成到非共聚焦顯微系統(tǒng)中，從而拓展其應(yīng)用范圍，例如一些在生物學(xué)科領(lǐng)域的空間多路復(fù)用，包括基因組學(xué)，蛋白質(zhì)組學(xué)，及其他有機(jī)”-組”學(xué)領(lǐng)域。

另一個(gè)能被SPAD技術(shù)有效提升的領(lǐng)域是高速成像領(lǐng)域，該領(lǐng)域通常都會(huì)受到低信噪比的制約。由于較短的積分時(shí)間，高速成像采集到的有效光子數(shù)偏低，而且會(huì)引起像素模糊，同時(shí)更快的讀取速度帶來(lái)了更多的噪音。SPAD成像探測(cè)器可以很好的消除這些噪音并提供泊松最大化的信噪比。

時(shí)機(jī)成熟

得益于CMOS SPAD技術(shù)的巨大發(fā)展，更多先進(jìn)的SPAD陣列和成像探測(cè)器開(kāi)始出現(xiàn)，它們不僅對(duì)共聚焦顯微學(xué)產(chǎn)生了革新，對(duì)其他需要提升光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的空間和時(shí)域分辨率的領(lǐng)域也起到了很大的幫助。

SPAD陣列為共聚焦顯微鏡系統(tǒng)的發(fā)展提供了絕佳的契機(jī)，因?yàn)镾PAD 陣列很可能改善包括 SNR、采集速度、激發(fā)強(qiáng)度閾值以及空間和時(shí)間分辨率所有關(guān)鍵參數(shù)，而與此同時(shí)幾乎不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。

與此同時(shí)，SPAD陣列也為拓展FLIM技術(shù)在醫(yī)藥研發(fā)，內(nèi)科診斷，和手術(shù)輔助等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。另一方面，和電子倍增CCD一樣，SPAD成像探測(cè)也進(jìn)一步具有了拓展高端成像探測(cè)系統(tǒng)功能性的潛力。

作者介紹

Michel Antolovic 是 Pi Imaging Technology 的首席執(zhí)行官，該公司開(kāi)發(fā)并商業(yè)化先進(jìn)的SPAD陣列和CMOS技術(shù)的圖像探測(cè)器。他在半導(dǎo)體技術(shù)和光子學(xué)方面擁有豐富的背景知識(shí)；

Rainer Erdmann 是 PicoQuant GmbH 的創(chuàng)始人兼總經(jīng)理，該公司主要聚焦于研發(fā)和生產(chǎn)面向廣泛科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的高質(zhì)量光子元器件和時(shí)間分辨熒光儀器；

參考文獻(xiàn)

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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