[論文レビュー] Single-photon SPAD imagers in biophotonics: Review and Outlook

Claudio Bruschini, Harald Homulle+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 151被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、過去15年間にわたり標準CMOSプロセスで作製された1光子検出SPADイメージャーについて、バイオフォトンイクス分野における発展をレビューする。これらのセンサは、FLIM、FRET、超解像顕微鏡、PETなどの応用分野で、超高感度で時間分解能のあるイメージングを可能にする。光子検出、時間分解能、オンチップ処理の分野で顕著な進歩が見られたが、量子効率、フィルファクター、スケーラビリティの面で未解決の課題が残っている。

ABSTRACT

Single-photon avalanche diode (SPAD) arrays are solid-state detectors offering imaging capabilities at the level of individual photons, with unparalleled photon counting and time-resolved performance. This fascinating technology has progressed at very high pace in the past 15~years, since its inception in standard CMOS technology in 2003. A host of architectures has been explored, ranging from simpler implementations, based solely on off-chip data processing, to progressively ``smarter" sensors including on-chip, or even pixel-level, timestamping and processing capabilities. As the technology matured, a range of biophotonics applications has been explored, including (endoscopic) FLIM, (multi-beam multiphoton) FLIM-FRET, SPIM-FCS, super-resolution microscopy, time-resolved Raman, NIROT, and PET. We will review some representative sensors and their corresponding applications, including the most relevant challenges faced by chip designers and end-users. Finally, we will provide an outlook on the future of this fascinating technology.

研究の動機と目的

• 標準CMOSプロセスで作製された1光子検出SPADイメージャーのバイオフォトンイクス応用分野における最新技術状況をレビューすること。
• 量子効率、フィルファクター、クロストーク、ダークカウントレート、ピクセルサイズのスケーリングといったSPADイメージャー設計の主な課題を特定・分析すること。
• オフチップ処理からオンチップおよびピクセルレベルの処理へのアーキテクチャの進化を検討し、リアルタイムデータ処理とシステム統合の重要性を強調すること。
• FLIM、FRET、SPIM-FCS、超解像顕微鏡、時間分解能ラマン分光法、PETなど、多様なバイオフォトンイクス応用分野におけるSPADアレイの性能を評価すること。
• 今後の発展についての展望を提示すること。具体的には3次元積層、産業分野への応用、CMOSプロセスのスケーラビリティが広範な展開を可能にする役割を含む。

提案手法

• アバランチブレイクダウン、ジーパーモード動作、および光子検出確率（PDP）、ダークカウントレート（DCR）、アフターパルスといった主要な性能指標を含むSPADデバイス物理学のレビュー。
• 基本的な光子カウントピクセルから、時間-デジタルコンバータ（TDC）や時間分解検出用のオンピクセルカウンタを統合したピクセルレベルアーキテクチャへの分析。
• 1次元（1D）と2次元（2D）のアレイアーキテクチャ、リードアウト方式、およびリアルタイム処理と低遅延データ処理のためのFPGAや3次元ICとの統合の検討。
• システムレベル統合の評価。特に、ネイティブにデジタル出力を持つSPADの出力がFPGAやASICと直接接続可能であり、リアルタイム自己相関関数や寿命計算を可能にする。
• 内視鏡的FLIM、マルチビームマルチフォトンFLIM-FRET、SPIM-FCS、量子ベースの超解像顕微鏡法を含む、SPADイメージャーを用いたバイオフォトンイクス応用の調査。
• CCD、sCMOS、PMT、EMCCDといった既存技術とCMOS SPADの比較を行い、感度、時間分解能、スケーラビリティの面での性能トレードオフを分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準CMOSプロセスで作製されたSPADイメージャーは、過去15年間で光子検出効率および時間分解能の面でどのように進化してきたか。
• RQ2 SPADイメージャーが主流のバイオフォトンイクス応用分野への導入を妨げる主な技術的課題は何か。特にsCMOSやCCDセンサと比較して。
• RQ3 SPADアレイにおけるオンチップおよびピクセルレベルの処理は、動的生物学系におけるリアルタイムで高スループットな時間分解イメージングをどの程度可能にするか。
• RQ4 大規模フォーマットで高感度なSPADアレイを開発するにあたり、主なアーキテクチャ的・設計的トレードオフは何か。また、それらが超解像顕微鏡やPET応用分野での性能に与える影響は。
• RQ5 3次元積層、産業用IPブロック、消費者市場への統合といった今後のトレンドは、SPADイメージャーを研究用プロトタイプから臨床的・商業的応用へと移行させるのをどの程度加速させるか。

主な発見

• 標準CMOSプロセスで作製されたSPADイメージャーは、最高性能のデバイスでピーク光子検出確率が40–55%を超えており、ダークカウントレートは0.1 cps/μm²未満にまで低下し、ノイズ低減と信頼性向上が達成された。
• 最新のSPADでは時間分解能が20–30 psにまで達しており、FLIMや時間分解能ラマン分光法に不可欠な時間飛行測定や寿命測定が高精度で可能となった。
• メガピクセルクラスのSPADアレイが現在開発中であり、空間分解能は四分の1メガピクセル相当に達しており、ピクセルサイズは10 μm未満まで縮小され、従来のCMOSイメージャーと同等のスケールに近づいている。
• オンチップおよびピクセルレベルの処理（TDC統合、FPGAを用いたリアルタイムデータ処理）により、マイクロ秒スケールのフレームレートが実現され、急速な一時的現象の捉え込みが可能になった。
• 進展は見られても、赤波長域の量子効率においてsCMOSやCCDセンサーより2–10倍低いままであり、低照度・光傷害感受性の応用分野での利用が制限されている。
• 商業的供給は限定的であり、主に研究スピンオフ企業（例：PhotonForce、MPD）や非イメージング用途のSiPMベースのアレイ（例：Philips dSiPM、STMicroelectronics ToFセンサ）の製品のみが市場に出回っている。これは、研究開発と産業応用の間のギャップが依然として存在することを示している。