引言

在自動駕駛、機器人導航、三維建模等眾多領域，激光雷達（LiDAR）的飛行時間（Time - of - Flight，ToF）測距技術發(fā)揮著至關重要的作用。它通過精確測量激光脈沖從發(fā)射到被目標反射后返回的時間，來計算目標物體的距離。而單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為激光雷達ToF測距系統(tǒng)的核心探測器，其靈敏度直接決定了測距系統(tǒng)的性能邊界，不斷探索和突破SPAD陣列的靈敏度邊界，對于推動激光雷達技術的發(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。當單個光子入射到SPAD的耗盡區(qū)時，會激發(fā)出一個電子 - 空穴對。在強電場的作用下，這個初始的載流子會引發(fā)雪崩倍增效應，產(chǎn)生大量的電子 - 空穴對，從而形成一個可檢測到的電脈沖信號。這種對單個光子的高度敏感性，使得SPAD成為探測微弱光信號的理想器件。

特性優(yōu)勢

高靈敏度：SPAD能夠?qū)蝹€光子進行探測，相比傳統(tǒng)的光電探測器，其靈敏度提高了多個數(shù)量級。這使得它在遠距離、低反射率目標的探測中具有顯著優(yōu)勢。

快速響應：SPAD的雪崩倍增過程非常迅速，能夠在皮秒量級內(nèi)產(chǎn)生電脈沖信號，滿足激光雷達ToF測距對時間分辨率的高要求。

集成度高：通過半導體制造工藝，可以將多個SPAD單元集成在一個芯片上，形成SPAD陣列，實現(xiàn)多通道的同時探測，提高測距系統(tǒng)的效率和準確性。

影響SPAD陣列靈敏度的因素

暗計數(shù)

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

后脈沖效應

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

填充因子與光學串擾

SPAD陣列中單個SPAD單元的填充因子（即有效探測面積與單元總面積之比）會影響陣列的整體探測效率。較低的填充因子會導致部分入射光無法被有效探測到，從而降低靈敏度。此外，相鄰SPAD單元之間的光學串擾也是一個重要問題。當某個SPAD單元發(fā)生雪崩時，產(chǎn)生的光子可能會被相鄰單元探測到，導致錯誤的計數(shù)和距離測量。

突破靈敏度邊界的策略

材料與工藝改進

采用新型的半導體材料和先進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，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。

陣列架構優(yōu)化

設計合理的SPAD陣列架構可以有效降低光學串擾和提高填充因子。例如，采用微透鏡陣列將入射光聚焦到SPAD的有效探測區(qū)域，提高填充因子；通過隔離結構（如深溝槽隔離）減少相鄰單元之間的光學耦合，降低串擾。

信號處理算法創(chuàng)新

先進的信號處理算法可以進一步提高測距系統(tǒng)的靈敏度和精度。例如，采用時間相關單光子計數(shù)（TCSPC）技術，通過對大量光子到達時間的統(tǒng)計和分析，可以精確測量激光脈沖的飛行時間，即使在低光子計數(shù)率的情況下也能實現(xiàn)高精度的測距。

結論

單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為激光雷達ToF測距系統(tǒng)的關鍵探測器，其靈敏度邊界直接決定了測距系統(tǒng)的性能極限。通過材料與工藝改進、陣列架構優(yōu)化以及信號處理算法創(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，為激光雷達技術在各個領域的廣泛應用提供更強大的支持，推動相關產(chǎn)業(yè)向更高水平發(fā)展。