引言

在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、三維建模等眾多領(lǐng)域，激光雷達(dá)（LiDAR）的飛行時(shí)間（Time - of - Flight，ToF）測(cè)距技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它通過精確測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到被目標(biāo)反射后返回的時(shí)間，來(lái)計(jì)算目標(biāo)物體的距離。而單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為激光雷達(dá)ToF測(cè)距系統(tǒng)的核心探測(cè)器，其靈敏度直接決定了測(cè)距系統(tǒng)的性能邊界，不斷探索和突破SPAD陣列的靈敏度邊界，對(duì)于推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。

SPAD陣列的工作原理與特性

工作原理

SPAD是一種工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管。當(dāng)單個(gè)光子入射到SPAD的耗盡區(qū)時(shí)，會(huì)激發(fā)出一個(gè)電子 - 空穴對(duì)。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，這個(gè)初始的載流子會(huì)引發(fā)雪崩倍增效應(yīng)，產(chǎn)生大量的電子 - 空穴對(duì)，從而形成一個(gè)可檢測(cè)到的電脈沖信號(hào)。這種對(duì)單個(gè)光子的高度敏感性，使得SPAD成為探測(cè)微弱光信號(hào)的理想器件。

特性優(yōu)勢(shì)

高靈敏度：SPAD能夠?qū)蝹€(gè)光子進(jìn)行探測(cè)，相比傳統(tǒng)的光電探測(cè)器，其靈敏度提高了多個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得它在遠(yuǎn)距離、低反射率目標(biāo)的探測(cè)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

快速響應(yīng)：SPAD的雪崩倍增過程非常迅速，能夠在皮秒量級(jí)內(nèi)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，滿足激光雷達(dá)ToF測(cè)距對(duì)時(shí)間分辨率的高要求。

集成度高：通過半導(dǎo)體制造工藝，可以將多個(gè)SPAD單元集成在一個(gè)芯片上，形成SPAD陣列，實(shí)現(xiàn)多通道的同時(shí)探測(cè)，提高測(cè)距系統(tǒng)的效率和準(zhǔn)確性。

影響SPAD陣列靈敏度的因素

暗計(jì)數(shù)

暗計(jì)數(shù)是指在沒有光子入射的情況下，SPAD由于熱激發(fā)、隧道效應(yīng)等原因產(chǎn)生的虛假計(jì)數(shù)。暗計(jì)數(shù)會(huì)降低測(cè)距系統(tǒng)的信噪比，影響測(cè)距精度。暗計(jì)數(shù)率與SPAD的工作溫度、偏置電壓等因素密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高會(huì)導(dǎo)致暗計(jì)數(shù)率增加，因此需要采取有效的溫度控制措施來(lái)降低暗計(jì)數(shù)。

后脈沖效應(yīng)

后脈沖效應(yīng)是指SPAD在雪崩過程結(jié)束后，由于陷阱電荷的釋放，可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)產(chǎn)生虛假的計(jì)數(shù)。后脈沖效應(yīng)會(huì)增加測(cè)距系統(tǒng)的噪聲，降低測(cè)距精度。它與SPAD的材料特性、制造工藝以及工作條件等因素有關(guān)。

填充因子與光學(xué)串?dāng)_

SPAD陣列中單個(gè)SPAD單元的填充因子（即有效探測(cè)面積與單元總面積之比）會(huì)影響陣列的整體探測(cè)效率。較低的填充因子會(huì)導(dǎo)致部分入射光無(wú)法被有效探測(cè)到，從而降低靈敏度。此外，相鄰SPAD單元之間的光學(xué)串?dāng)_也是一個(gè)重要問題。當(dāng)某個(gè)SPAD單元發(fā)生雪崩時(shí)，產(chǎn)生的光子可能會(huì)被相鄰單元探測(cè)到，導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)數(shù)和距離測(cè)量。

突破靈敏度邊界的策略

材料與工藝改進(jìn)

采用新型的半導(dǎo)體材料和先進(jìn)的制造工藝可以提高SPAD的性能。例如，使用具有更高電子遷移率和更低暗電流的材料，可以降低噪聲水平，提高信噪比。同時(shí)，優(yōu)化制造工藝可以減少SPAD的缺陷和雜質(zhì)，提高雪崩倍增的穩(wěn)定性和一致性。

陣列架構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計(jì)合理的SPAD陣列架構(gòu)可以有效降低光學(xué)串?dāng)_和提高填充因子。例如，采用微透鏡陣列將入射光聚焦到SPAD的有效探測(cè)區(qū)域，提高填充因子；通過隔離結(jié)構(gòu)（如深溝槽隔離）減少相鄰單元之間的光學(xué)耦合，降低串?dāng)_。

信號(hào)處理算法創(chuàng)新

先進(jìn)的信號(hào)處理算法可以進(jìn)一步提高測(cè)距系統(tǒng)的靈敏度和精度。例如，采用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）技術(shù)，通過對(duì)大量光子到達(dá)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)和分析，可以精確測(cè)量激光脈沖的飛行時(shí)間，即使在低光子計(jì)數(shù)率的情況下也能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)距。

結(jié)論

單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為激光雷達(dá)ToF測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵探測(cè)器，其靈敏度邊界直接決定了測(cè)距系統(tǒng)的性能極限。通過材料與工藝改進(jìn)、陣列架構(gòu)優(yōu)化以及信號(hào)處理算法創(chuàng)新等多方面的努力，我們可以不斷突破SPAD陣列的靈敏度邊界，為激光雷達(dá)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供更強(qiáng)大的支持，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展。