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单光子雪崩二极管(SPAD)对空间和时间分辨率的提升

发布时间:2022-05-27阅读次数:216次

关于SPAD技术的Photonics Spectra专题文章

PI Imaging Technology和PicoQuant共同撰写了有关单光子雪崩二极管(SPAD)在多种应用中的价值和影响

在Photonics Spectra 杂志5 月刊的一篇专题文章中,Pi Imaging Technology 的 Ivan Michel Antolović 和 PicoQuant总经理 Rainer Erdmann 撰写了关于 SPAD 技术的发展如何彻底改变了共聚焦显微镜和其他需要光子计数探测器提高空间和时间分辨率的领域。SPAD阵列为共聚焦显微镜系统的发展提供了绝佳的契机会,因为SPAD 阵列很可能改善包括 SNR、采集速度、激发强度阈值以及空间和时间分辨率所有关键参数,而与此同时几乎不会增加系统的复杂性。


单光子雪崩二极管(SPAD)对空间和时间分辨率的提升
随着这些探测器在性能和精密性方面的延展, 它们在天文学和生命科学领域的价值和影响力与日俱增
MICHEL ANTOLOVIC, PI IMAGING TECHNOLOGY, 和RAINER ERDMANN, PICOQUANT GMBH

顾名思义,单光子雪崩二极管(SPADs)可以探测光的单个粒子,而且时间精度达到皮秒量级。单像素SPADs在天文学、流式细胞术、荧光寿命成像显微(FLIM)、粒度测定、量子计算、量子密钥分发和单分子检测等领域得到了广泛的应用。然而,在过去的十年里,SPADs系列探测器通过结合互补型金属氧化物半导体(CMOS)技术, 形成了阵列式成像探测结构, 可以在相对紧凑以及合理的情况下增加SPAD阵列的像素个数。

上图为512 × 512单光子雪崩二极管(SPAD)成像探测器,下图为单个单元的近照,图片来自Pi Imaging Technology


与单像素 SPAD 相比,阵列型探测器提升了空间分辨率以及信噪比 (SNR)。 例如,在共聚焦显微镜应用中,阵列中的每个像素都可以充当一个虚拟小针孔,带来更好的横向和纵向分辨率,这样的多像素再共同从实际的显微镜针孔中收集信号。

然而,早期使用 CMOS 技术制造的 SPAD 阵列表现出低灵敏度和高噪声等问题。由于每个SPAD单元需要独立的保护环以及集成对应的电子学元件,因此基于这些探测器阵列存在填充因子低的问题。

最近,随着装备工艺的提升、设计的改进,以及微光学元件的优化,使得阵列型 SPAD能够克服这些限制,使灵敏度和信噪比达到单像素探测设备的水平。

因此,SPAD 阵列和成像探测器的兴起,大大的提升了空间和时间的分辨率水平,使共焦显微镜及其他光子计数应用领域发生了革命性的变化。

为什么使用SPAD?
虽然传统的光敏探测器、光电二极管和许多雪崩光电二极管在量子效率方面有较高的灵敏度,但SPADs的优势在于, 接收弱光信号时, 有较高的信噪比(图 1 和图 2)。

图1.灵敏度为50%的SPAD与灵敏度为80%的典型光电二极管之间的信噪比(SNR)比较,两者的等效读出噪声均为10 e−(仅代表高速读出模式)。由Pi Imaging Technology提供。


弱光信号一般来自微弱的发光源,例如小颗粒、低透射样品,或者在高速下扫描成像。 除了在检测弱光信号时表现出高 信噪比(SNR)之外,SPAD 在测量事件时间时也特别的精确(<150 ps)。 这归功于它们强大的电荷倍增增益。以上这些特点使得SPADs探测器在上表所示的领域中具有广泛的应用前景。

早期的单点式探测器在定制过程中的拓展性很差。2003 年,研究人员开始使用标准 CMOS 技术来构建 SPAD 阵列。 这种设计和生产平台的变化为可靠地生产高像素数 SPAD 探测器,以及发明和集成用于淬灭和再充电、时间标记和光子计数功能的新型像素电路开辟了可能性。在数据采集方面,  此种设备既支持单SPAD脉冲输出, 也支持全数字化信号处理。

图2.具有80%灵敏度和10 e−等效读出噪声的光二极管(仅代表高速读出模式)(上图)和具有50%灵敏度的SPAD(下图)之间信噪比(SNR)差异的对比,平均每个像素光子累积数为10。由Pi Imaging Technology提供。


在随后的十年中,大家在SPAD 阵列高时间精度方面的研究投入了大量的人力、物力和财力。 因此在这方面应运而生了各种结构设计以及应用实例。尽管该技术被大量集成到智能手机中, 用于对距离做出感应, 来决定是否从锁屏状态激活。但是其中最具前景的应用方向还是在激光雷达上使用SPAD阵列。

基于SPADs技术潜力的研究,同样也拓展到了生物医学领域,例如拉曼光谱学、荧光寿命成像(FLIM)和正电子发射断层扫描 (PET)。 这些领域的研究人员提出了非常先进架构的探测器系统,目的是通过时间门控来增强拉曼检测,利用像素并行化来避免 FLIM 中的堆积效应,并通过利用 SPAD 时间分辨率来提高 PET 空间分辨率。 然而,SPAD 技术较低的灵敏度、较高的噪声和较长的创新周期,使得其在上述领域的应用迟迟没有展开。

然而,在过去十年中取得的进步已将 SPAD 阵列的探测效率从峰值30%提升到了高于50%,并将暗噪声从典型的每秒 100 计数 (cps)/µm2降低到小于 1 cps/ µm2.1,2


CMOS SPADs面临的挑战

许多早期的 CMOS SPAD 设计中,使用 0.35-µm 的制造工艺,其中使用标准层来创建 SPAD的P-N结。 为了使器件能够在雪崩模式下工作,会给器件施加高电场(~0.5 MV/cm),而此时,P-N结的性能表现不太理想。在大多数情况下,表面和硅杂质以及不可控制的横向电场也会增加探测器的噪声。因为开发人员通常制造具有高掺杂的浅层来实现高电场,导致灵敏度也不是最佳的。浅结将会导致探测效率较低,灵敏度峰值蓝移。

随着更先进的半导体工艺的发展,SPAD阵列开始使用180-、110-、65-和40-nm的工艺节点,以改善SPAD器件的功能,并构建更先进的架构。然而,在许多情况下,在较小的半导体节点中应用较高的掺杂和浅层也会导致SPAD的性能较差。

此外,相比于传统探测器, SPADs还需要宽度约为1到2µm的横向保护环和其他更多的电子元件。使得探测器的几何填充因子更低(低于3%), 从而进一步的降低了探测器的灵敏度。

要想从根本上大幅度提高 SPADs的像素分辨率,不仅在过去,现在仍然充满了挑战性。主要有下面三大原因:因为保护环的存在, SPADs的单个像素尺寸比其他器件体积大很多。与传统光电二极管相比,它们由于信号幅度更大而消耗更多功率。然后就是SPADs在时间-事件模式下单位时间内产生更多数据。

然而,SPAD 开发人员和 CMOS 晶圆厂之间的密切合作,通过在半导体工艺流程中添加SPAD特定层、SPAD 保护环的设计创新,以及通过微透镜实现填充因子提升,都帮助 SPAD 技术克服了许多灵敏度和噪声的挑战。

新型架构同样也使得SPADs的功耗和数据传输量被相应的减少,新架构包含尽量贴近SPAD像素来进行光子选择性接收的功能,例如在SPAD成像探测器中的时间门控技术,通过时间相关性对时间标记事件过滤,以及通过非线性特征对光子计数进行有效压缩。

在这些协同效应的共同作用下,最终带来了高像素SPAD 成像探测器的问世,其中就包含512 × 512 像素和更高像素尺寸的SPAD成像探测器(参见文章开头的探测器图像)。

SPADs的应用

时间分辨共聚焦显微学作为一种强大的工具已经被成熟地应用于生命科学的科研领域。它可以实现分子动态学的量化测量,细胞环境的探测,以及蛋白互作的研究。共聚焦显微镜在具有绝佳空间分辨率的同时,通过精确的控制激发光能量,极大的减小了光毒性。但是,共聚焦显微镜必须在信号强度和分辨率之间进行平衡:更小的针孔带来更高的共聚焦性,意味着更高的分辨率和更好的区域选择性,但是信号强度也会随之降低。

当应用于图像扫描显微镜 (ISM) 时,SPAD 阵列消除了这种平衡制约关系,可以在提高空间分辨率的同时,提升信号强度。 ISM利用像素阵列代替传统的单点检测器来从不同角度记录多个图像,从而提高了共聚焦显微镜的空间分辨率。每个SPAD像素作为一个虚拟小针孔,具有良好的横向和纵向分辨率,同时多个像素又共同的从一个虚拟的大针孔收集信号。 再经过像素再赋值的方法,获得一个分辨率得到提高的最终图像(图 3)。

图3.紧凑型SPAD微阵列芯片,23个像素(上图),以及用于图像扫描显微镜应用的探测器模块(下图)。由Pi Imaging Technology提供。


FLIM(荧光寿命成像)是一种集成于共聚焦显微的强大实验工具,它常被用于动态活体细胞成像和通过福斯特共振能量转移(FLIM-FRET)来进行蛋白互作研究(图4)。FLIM在材料领域也有广泛的应用前景,例如研究半导体的特性和载流子扩散的过程。

图4.鼠胚胎组织的荧光寿命成像(FLIM)图片。使用单光子计数共聚焦显微镜记录。由PicoQuant提供。


许多物质 - 包括有机荧光团,荧光蛋白和纳米颗粒(例如量子点和纳米金刚石) -通过荧光过程吸收光能并发射光子。每一种发射荧光的物质都具有荧光寿命特征,它代表其在回归基态之前的电子激发态所处的时间长度。

FLIM产生的图像是基于激发态衰减率进行成像的,图像的对比度差别是基于每个荧光团的寿命,而不是发射光谱波长。FLIM成像由一个2D的像素网格构成,这些网格将样品分割为多个相同大小的区域。每个区域的寿命由时间相关单光子计数的平均值决定。这项技术将激发光分别移动到各个分割的区域来采集发射的光子,再通过单像素探测器(例如SPAD)来收集发射光子的抵达时间信息。每个像素的光子抵达时间信息被归纳到一个柱状图中,再通过数学方法,从该柱状图提取荧光寿命信息。


FLIM技术同样从SPAD阵列架构中受益,像素独立并行,能在稳定计数率的同时提高扫描成像的速度。集成有时间门控功能的SPAD成像探测器可以将FLIM技术集成到非共聚焦显微系统中,从而拓展其应用范围,例如一些在生物学科领域的空间多路复用,包括基因组学,蛋白质组学,及其他有机”-组”学领域。


另一个能被SPAD技术有效提升的领域是高速成像领域,该领域通常都会受到低信噪比的制约。由于较短的积分时间,高速成像采集到的有效光子数偏低,而且会引起像素模糊,同时更快的读取速度带来了更多的噪音。SPAD成像探测器可以很好的消除这些噪音并提供泊松最大化的信噪比。

时机成熟

得益于CMOS SPAD技术的巨大发展,更多先进的SPAD阵列和成像探测器开始出现,它们不仅对共聚焦显微学产生了革新,对其他需要提升光子计数探测器的空间和时域分辨率的领域也起到了很大的帮助。

SPAD阵列为共聚焦显微镜系统的发展提供了绝佳的契机,因为SPAD 阵列很可能改善包括 SNR、采集速度、激发强度阈值以及空间和时间分辨率所有关键参数,而与此同时几乎不会增加系统的复杂性。

与此同时,SPAD阵列也为拓展FLIM技术在医药研发,内科诊断,和手术辅助等领域的应用提供了机会。另一方面,和电子倍增CCD一样,SPAD成像探测也进一步具有了拓展高端成像探测系统功能性的潜力。

作者介绍

Michel Antolovic 是 Pi Imaging Technology 的首席执行官,该公司开发并商业化先进的SPAD阵列和CMOS技术的图像探测器。 他在半导体技术和光子学方面拥有丰富的背景知识;

Rainer Erdmann 是 PicoQuant GmbH 的创始人兼总经理,该公司主要聚焦于研发和生产面向广泛科学应用领域的高质量光子元器件和时间分辨荧光仪器;


参考文献
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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