单光子雪崩二极管（SPAD）阵列：激光雷达ToF测距的灵敏度边界

引言

在自动驾驶、机器人导航、三维建模等众多领域，激光雷达（LiDAR）的飞行时间（Time - of - Flight，ToF）测距技术发挥着至关重要的作用。它通过精确测量激光脉冲从发射到被目标反射后返回的时间，来计算目标物体的距离。而单光子雪崩二极管（SPAD）阵列作为激光雷达ToF测距系统的核心探测器，其灵敏度直接决定了测距系统的性能边界，不断探索和突破SPAD阵列的灵敏度边界，对于推动激光雷达技术的发展具有重大意义。

SPAD阵列的工作原理与特性

工作原理

SPAD是一种工作在盖革模式下的雪崩光电二极管。当单个光子入射到SPAD的耗尽区时，会激发出一个电子 - 空穴对。在强电场的作用下，这个初始的载流子会引发雪崩倍增效应，产生大量的电子 - 空穴对，从而形成一个可检测到的电脉冲信号。这种对单个光子的高度敏感性，使得SPAD成为探测微弱光信号的理想器件。

特性优势

高灵敏度：SPAD能够对单个光子进行探测，相比传统的光电探测器，其灵敏度提高了多个数量级。这使得它在远距离、低反射率目标的探测中具有显著优势。

快速响应：SPAD的雪崩倍增过程非常迅速，能够在皮秒量级内产生电脉冲信号，满足激光雷达ToF测距对时间分辨率的高要求。

集成度高：通过半导体制造工艺，可以将多个SPAD单元集成在一个芯片上，形成SPAD阵列，实现多通道的同时探测，提高测距系统的效率和准确性。

影响SPAD阵列灵敏度的因素

暗计数

暗计数是指在没有光子入射的情况下，SPAD由于热激发、隧道效应等原因产生的虚假计数。暗计数会降低测距系统的信噪比，影响测距精度。暗计数率与SPAD的工作温度、偏置电压等因素密切相关。一般来说，温度升高会导致暗计数率增加，因此需要采取有效的温度控制措施来降低暗计数。

后脉冲效应

后脉冲效应是指SPAD在雪崩过程结束后，由于陷阱电荷的释放，可能会在一段时间内继续产生虚假的计数。后脉冲效应会增加测距系统的噪声，降低测距精度。它与SPAD的材料特性、制造工艺以及工作条件等因素有关。

填充因子与光学串扰

SPAD阵列中单个SPAD单元的填充因子（即有效探测面积与单元总面积之比）会影响阵列的整体探测效率。较低的填充因子会导致部分入射光无法被有效探测到，从而降低灵敏度。此外，相邻SPAD单元之间的光学串扰也是一个重要问题。当某个SPAD单元发生雪崩时，产生的光子可能会被相邻单元探测到，导致错误的计数和距离测量。

突破灵敏度边界的策略

材料与工艺改进

采用新型的半导体材料和先进的制造工艺可以提高SPAD的性能。例如，使用具有更高电子迁移率和更低暗电流的材料，可以降低噪声水平，提高信噪比。同时，优化制造工艺可以减少SPAD的缺陷和杂质，提高雪崩倍增的稳定性和一致性。

阵列架构优化

设计合理的SPAD阵列架构可以有效降低光学串扰和提高填充因子。例如，采用微透镜阵列将入射光聚焦到SPAD的有效探测区域，提高填充因子；通过隔离结构（如深沟槽隔离）减少相邻单元之间的光学耦合，降低串扰。

信号处理算法创新

先进的信号处理算法可以进一步提高测距系统的灵敏度和精度。例如，采用时间相关单光子计数（TCSPC）技术，通过对大量光子到达时间的统计和分析，可以精确测量激光脉冲的飞行时间，即使在低光子计数率的情况下也能实现高精度的测距。

结论

单光子雪崩二极管（SPAD）阵列作为激光雷达ToF测距系统的关键探测器，其灵敏度边界直接决定了测距系统的性能极限。通过材料与工艺改进、阵列架构优化以及信号处理算法创新等多方面的努力，我们可以不断突破SPAD阵列的灵敏度边界，为激光雷达技术在各个领域的广泛应用提供更强大的支持，推动相关产业向更高水平发展。