极弱光探测芯片
单光子序列的探测与刻画
极弱光探测芯片研究组致力于新型硅光电倍增器芯片的设计与创新应用，攻克光子信号源头数字化难题，挑战弱光探测器件性能的物理极限，实现单光子级事件序列的探测与刻画。针对传统SiPM“数字（像素0/1输出）→ 模拟（电流加和模拟输出）→ 数字（ADC采样）”复杂读出框架带来的信息损失问题，提出了多阈值光电探测学术思想，设计了“数字（像素0/1输出）→ 数字（多阈值采样）”的新型全数字SiPM架构，该架构将采样源头从SiPM输出提前至单个像素，并且正在进一步将采样源头提前至光子发生处，实现逼近理论极限的时间及空间分辨能力。团队面向代表性应用场景中发展突破性应用示范和应用探索，坚持以应用需求驱动技术优化与迭代，引发相关领域连锁性技术突破与创新。

全球首个标准CMOS SiPM芯片

2017年基于0.35 μm 标准CMOS工艺研制了首个SiPM产品并完成性能表征。

采用0.35μm CMOS工艺节点制造的SiPM横截面

在0.35μm CMOS节点中开发的SiPM的模拟电场分布

[1] N. D’Ascenzo, W. Brockherde, S. Dreiner, A. Schwinger, A. Schmidt, and Q. Xie, “Design and Characterization of a Silicon Photomultiplier in 0.35 μm CMOS,” IEEE J. Electron Devices Soc., vol. 6, pp. 74–80, Nov. 2017, doi: 10.1109/JEDS.2017.2771145.

超高PDE的CMOS SiPM芯片

2019年基于0.35 μm 标准CMOS工艺实现了高达43%的光子探测效率（PDE）。

2024年基于0.11 μm 标准CMOS工艺将PDE进一步提高到了69% @6Vov ，达到现有CMOS SiPM最优的性能水平。单光子时间分辨率（50 ps）和串扰概率（<5%）更超越定制化SiPM产品居世界第一。

新型SPAD
器件结构设计
器件击穿电压的
温度依赖性表征
不同温度下
器件响应信号特性刻画
器件增益线性度表征
器件所测得PDE与波长的关系
器件所测得PDE与工作过电压的关系
[2] N. D’Ascenzo et al., "A Low-Noise High-Photon Detection Efficiency Silicon Photomultiplier in 0.11-μm CMOS," in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 72, no. 2, pp. 769-777, Feb. 2025, doi: 10.1109/TED.2024.3520533.

全球首个多阈值硅光电倍增器 MT SiPM 芯片

2022 年研制了数字SiPM原型样片并完成了核心技术的测试验证。
2024 年研制出全球首个多阈值全数字硅光电倍增器MT SiPM芯片。团队创新性提出多阈值光电探测学术思想，设计了“数字（像素 0/1 输出）- 数字（多阈值采样）”的新型全数字SiPM架构，重建入射光子时间序列。这一研究的成功也标志着我们将光信号的数字化起点从SiPM输出提前至单个 MicroCell。
团队研制的MT-SiPM原型样片及在均匀光照下的时间帧
MT SiPM芯片
应用：上天、入地、下海

遥感卫星"上天"

团队自主研制的SiPM芯片作为核心部件搭载卫星成功进入太空，在高宇宙射线辐射的恶劣工况下，在轨稳定测量有效数据超500万次。

水下光通信"下海"

石油勘探"入地"

团队研制的SiPM芯片作为石油探井装置的核心部件，在油田井下2000米进行探测作业。

应用探索与示范

SiPM性能好、体积小、对磁场极不敏感，相比于传统的光电和成像器件如光电倍增管（PMT）和CCD等也具有独特优势。基于自研的SiPM和MVT芯片，我们正在进行一系列新型光学成像应用探索与示范：如光谱仪、弱光相机、中子成像、μ子成像等，以应用需求引领技术优化的方向。

探针台+分析仪晶圆测试平台

光学测试平台

射源测试平台

人才培养条件与平台

经过多年发展，团队已经建设了芯片设计、封测和应用的全链条技术平台，覆盖半导体工艺、器件设计、电路设计、版图设计、流片、测试、应用等各个环节，建立了核心电路IP库和技术资料库，形成了市场 → 需求 → 产品迭代 → 市场的闭环，以实际流片项目培养学生真正掌握芯片全流程设计能力，支撑有组织的创新。