A SPAD Depth Sensor Robust Against Ambient Light: The Importance of Pixel Scaling and Demonstration of a 2.5μm Pixel with 21.8% PDE at 940nm

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作者
Shoichi Shimada,Yusuke Otake,S. Yoshida,Y. Jibiki,M. Fujii,S. Endo,R. Nakamura,H. Tsugawa,Y. Fujisaki,Keiichi Yokochi,J. Iwase,K. Takabayashi,H. Maeda,K. Sugihara,K. Yamamoto,M. Ono,K. Ishibashi,S. Matsumoto,H. Hiyama,T. Wakano
标识
DOI:10.1109/iedm45625.2022.10019414
摘要

We present scaled down Single Photon Avalanche Diode (SPAD) pixels to prevent Photon Detection Efficiency (PDE) degradation under high ambient light. This study is carried out on Back-Illuminated (BI) 3D-stacked SPAD array sensors with 3.3, 3.0, and 2.5μm pixel pitches fabricated using a CMOS 300mm platform. To achieve pixel scaling, the developed pixels introduce a sub-micron avalanche region to prevent premature edge breakdown while allowing for a low Dark Count Rate (DCR). Moreover, optimized optical lenses enable scaled down pixels to achieve approximately 100% fill factor, thereby boosting the PDE at λ=940nm beyond 20%, even under sunlight conditions. These sensors offer cost-efficient and high accuracy depth-sensing capabilities, even under challenging ambient light conditions.
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