Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Коммерческий однофотонный лавинный диодный модуль для оптических фотонов

Однофотонной лавинный диод (СПАД) представляет собой твердотельный фотоприемник в пределах одной и той же семьи , как фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД), а также в основном связаны с основными диодных поведения. Как и в случае с фотодиодами и APD, SPAD основан на полупроводниковом pn переходе, который может освещаться ионизирующим излучением, таким как гамма-, рентгеновские лучи, бета- и альфа-частицы, а также широкая часть электромагнитного спектра от ультрафиолета (УФ). через видимые длины волн и в инфракрасный (ИК).

В фотодиоде с низким обратным напряжением смещения ток утечки изменяется линейно с поглощением фотонов, то есть высвобождением носителей тока (электронов и / или дырок) из-за внутреннего фотоэлектрического эффекта . Однако в SPAD [1] [2] обратное смещение настолько велико, что возникает явление, называемое ударной ионизацией, которое может вызвать развитие лавинного тока. Просто фотогенерируемый носитель ускоряется электрическим полем в устройстве до кинетической энергии, достаточной для преодоления энергии ионизации.из объемного материала, выбивая электроны из атома. Большая лавина носителей тока нарастает экспоненциально и может быть вызвана всего несколькими носителями, инициированными одним фотоном. SPAD может обнаруживать одиночные фотоны, обеспечивая короткие импульсы запуска, которые можно подсчитать. Однако их также можно использовать для получения времени прибытия падающего фотона из-за высокой скорости, которую накапливает лавина, и низкого временного дрожания устройства .

Основное различие между SPAD и APD или фотодиодами заключается в том, что SPAD смещен значительно выше напряжения пробоя обратного смещения и имеет структуру, которая позволяет работать без повреждений или чрезмерного шума. Хотя APD может действовать как линейный усилитель, уровень ударной ионизации и лавины внутри SPAD побудил исследователей уподобить устройство счетчику Гейгера, в котором выходные импульсы указывают на триггер или событие «щелчка». Область смещения диода, которая вызывает это поведение типа «щелчка», поэтому называется областью « режима Гейгера ».

Как и в случае с фотодиодами, диапазон длин волн, в котором они наиболее чувствительны, зависит от свойств материала, в частности от ширины запрещенной зоны в полупроводнике . Многие материалы, включая кремний , германий и другие элементы III-V , были использованы для изготовления SPAD для большого количества приложений, которые теперь используют процесс убегающей лавины. По этой теме ведется много исследований, включая внедрение систем на основе SPAD в технологии изготовления КМОП [3], а также исследование и использование комбинаций материалов III-V [4] для однофотонного обнаружения на определенных длинах волн.

Приложения [ править ]

С 1970-х годов применение SPAD значительно увеличилось. Недавние примеры их использования включают лидары , 3D-визуализацию по времени пролета (ToF), ПЭТ-сканирование , однофотонные эксперименты в области физики, микроскопию времени жизни флуоресценции и оптическую связь (особенно квантовое распределение ключей ).

Операция [ править ]

Рисунок 1 - Поперечное сечение тонкой SPAD.

Структуры [ править ]

SPAD - это полупроводниковые устройства, основанные на p – n-переходе с обратным смещением при напряжении V a , превышающем напряжение пробоя V B перехода ( рисунок 1 ). [ требуется пояснение ] [1] «При этом смещении электрическое поле настолько велико [более 3 × 10 5В / см], что одиночный носитель заряда, введенный в обедненный слой, может вызвать самоподдерживающуюся лавину. Ток быстро возрастает [время нарастания субнаносекунды] до макроскопического устойчивого уровня в миллиамперном диапазоне. Если первичная несущая является фотогенерируемой, передний фронт лавинообразного импульса отмечает [с пикосекундным временным джиттером] время прибытия обнаруженного фотона » . [1] Ток продолжается до тех пор, пока лавина не будет погашена за счет понижения напряжения смещения V D до или ниже V B : [1] более низкое электрическое поле больше не может ускорять носители для ударной ионизации с решеткойатомов, поэтому ток прекращается. Чтобы можно было обнаружить другой фотон, напряжение смещения должно быть снова повышено до уровня пробоя. [1]

«Для этой операции требуется подходящая схема, которая должна:

  1. Почувствуйте передний край лавинного потока.
  2. Сгенерируйте стандартный выходной импульс, синхронный с нарастанием лавины.
  3. Гасите лавину, понижая напряжение смещения до напряжения пробоя.
  4. Восстановите фотодиод до работоспособного состояния.

Эту схему обычно называют схемой гашения ». [1]

Области смещения и вольт-амперная характеристика [ править ]

Вольт-амперная характеристика SPAD с указанием включения и выключения

Полупроводниковый pn-переход может быть смещен в нескольких рабочих областях в зависимости от приложенного напряжения. Для нормальной работы однонаправленного диода область прямого смещения и прямое напряжение используются во время проводимости, в то время как область обратного смещения предотвращает проводимость. При работе с низким напряжением обратного смещения pn переход может работать как фотодиод с единичным усилением . По мере увеличения обратного смещения может происходить некоторое внутреннее усиление за счет умножения несущих, что позволяет фотодиоду работать как лавинный фотодиод (APD).со стабильным усилением и линейным откликом на оптический входной сигнал. Однако по мере того, как напряжение смещения продолжает увеличиваться, pn-переход выходит из строя, когда напряженность электрического поля на pn-переходе достигает критического уровня. Поскольку это электрическое поле индуцируется напряжением смещения на переходе, оно обозначается как напряжение пробоя, VBD. SPAD имеет обратное смещение с избыточным напряжением смещения Vex выше напряжения пробоя, но ниже второго, более высокого напряжения пробоя, связанного с защитным кольцом SPAD. Таким образом, полное смещение (VBD + Vex) превышает напряжение пробоя до такой степени, что «при этом смещении электрическое поле настолько велико [выше 3 × 10 5В / см], что одиночный носитель заряда, введенный в обедненный слой, может вызвать самоподдерживающуюся лавину. Ток быстро возрастает [время нарастания субнаносекунды] до макроскопического устойчивого уровня в миллиамперном диапазоне. Если первичная несущая является фотогенерируемой, передний фронт лавинного импульса отмечает [с пикосекундным временным джиттером] время прибытия обнаруженного фотона ». [1]

Поскольку характеристика зависимости тока от напряжения (IV) pn перехода дает информацию о проводимости диода, это часто измеряется с помощью аналогового измерителя кривой. Это изменяет напряжение смещения мелкими шагами в строго контролируемых лабораторных условиях. Для SPAD без прихода фотонов или термически генерируемых носителей ВАХ аналогична обратной характеристике стандартного полупроводникового диода, то есть почти полной блокировке потока заряда (тока) через переход, за исключением небольшого тока утечки ( наноамперы). Это состояние можно описать как «отключение» характеристики.

Однако при проведении этого эксперимента после пробоя можно наблюдать эффект «мерцания» и вторую ВАХ. Это происходит, когда SPAD испытал инициирующее событие (приход фотона или термически сгенерированный носитель) во время развертки напряжения, которое прикладывается к устройству. SPAD во время этих разверток выдерживает лавинный ток, который описывается как «прямая ветвь» ВАХ. Поскольку индикатор кривой увеличивает величину напряжения смещения с течением времени, бывают моменты, когда SPAD срабатывает во время развертки напряжения выше пробоя. В этом случае происходит переход от ответвления к ответвлению, при этом начинает течь значительный ток. Это приводит к мерцанию ВАХ, которое наблюдается и было обозначено ранними исследователями в этой области как «бифуркация».[2] (определение: разделение чего-либо на две ветви или части). Для успешного обнаружения одиночных фотонов в pn-переходе должны быть очень низкие уровни процессов внутренней генерации и рекомбинации. Чтобы уменьшить тепловыделение, устройства часто охлаждаются, в то время как такие явления, как туннелирование через pn-переходы, также необходимо уменьшить за счет тщательного проектирования полупроводниковых присадок и ступеней имплантата. Наконец, для уменьшения механизмов шума, усугубляемых захватом центров в запрещенной структуре pn-перехода, диод должен иметь «чистый» процесс, свободный от ошибочных примесей.

Пассивные схемы гашения [ править ]

Простейшая схема гашения обычно называется схемой пассивного гашения и состоит из одного резистора, включенного последовательно с SPAD. Эта экспериментальная установка использовалась с самого начала исследований лавинного пробоя в переходах . Лавинный ток самогашается просто потому, что он вызывает падение напряжения на большой балластной нагрузке R L (около 100 кОм или более). После гашения лавинного тока смещение SPAD V D медленно восстанавливается до V a., а значит, извещатель готов к повторному зажиганию. Этот режим схемы поэтому называется пассивным гашением пассивного сброса (PQPR), хотя активный элемент схемы может использоваться для сброса, формируя режим цепи пассивного гашения активного сброса (PQAR). Подробное описание процесса закалки дано Zappa et al. [1]

Цепи активного гашения [ править ]

Более продвинутое тушение, которое исследовалось с 1970-х годов, представляет собой схему, называемую активным тушением . В этом случае быстрый дискриминатор определяет резкое начало лавинного тока через резистор 50 Ом (или встроенный транзистор) и выдает цифровые ( CMOS , TTL , ECL , NIM).) выходной импульс, синхронный по времени прихода фотона. Затем схема быстро снижает напряжение смещения до уровня ниже напряжения пробоя (активное гашение), а затем относительно быстро возвращает смещение до уровня выше напряжения пробоя, готового к обнаружению следующего фотона. Этот режим называется активным гашением активного сброса (AQAR), однако, в зависимости от требований схемы, активный пассивный сброс гашения (AQPR) может быть более подходящим. Цепи AQAR часто позволяют снизить мертвое время и значительно уменьшить вариацию мертвого времени.

Подсчет и насыщение фотонов [ править ]

Интенсивность входного сигнала может быть получена путем подсчета (счета фотонов ) количества выходных импульсов в течение периода времени измерения. Это полезно для таких приложений, как визуализация при слабом освещении, сканирование ПЭТ и флуоресцентная микроскопия.. Однако, пока схема восстановления лавин гасит лавину и восстанавливает смещение, SPAD не может обнаруживать дальнейшие приходы фотонов. Любые фотоны (или темновые импульсы или остаточные импульсы), которые достигают детектора в течение этого короткого периода, не учитываются. По мере того, как количество фотонов увеличивается так, что (статистический) интервал времени между фотонами попадает в десять раз или около того по сравнению с временем восстановления лавины, пропущенные подсчеты становятся статистически значимыми, и скорость счета начинает отклоняться от линейной зависимости с обнаруженным уровнем света. . В этот момент SPAD начинает насыщаться. Если бы уровень освещенности продолжал увеличиваться, в конечном итоге до точки, где SPAD немедленно сходил бы с лавины, как только схема восстановления лавины восстанавливает смещение,скорость счета достигает максимума, определяемого исключительно временем восстановления лавины в случае активного гашения (сотни миллионов импульсов в секунду или более[5] ). Это может быть вредным для SPAD, поскольку он будет испытывать лавинообразный поток почти непрерывно. В пассивном случае насыщение может привести к снижению скорости счета при достижении максимума. Это называется параличом, при котором фотон, поступающий во время пассивной перезарядки SPAD, имеет более низкую вероятность обнаружения, но может увеличить мертвое время. Стоит отметить, что пассивное гашение, хотя и проще в реализации с точки зрения схемотехники, приводит к уменьшению максимальной скорости счета на 1 / е.

Темновая скорость счета (DCR) [ править ]

Помимо генерируемых фотонами носителей, термически генерируемые носители (посредством процессов генерации-рекомбинации в полупроводнике) также могут вызвать лавинный процесс. Следовательно, можно наблюдать выходные импульсы, когда SPAD находится в полной темноте. Результирующее среднее количество импульсов в секунду называется скоростью счета в темноте.(DCR) и является ключевым параметром при определении шума детектора. Стоит отметить, что величина, обратная скорости счета в темноте, определяет среднее время, в течение которого SPAD остается смещенным выше пробоя, прежде чем сработает нежелательная тепловая генерация. Следовательно, чтобы работать как однофотонный детектор, SPAD должен иметь возможность оставаться смещенным выше пробоя в течение достаточно длительного времени (например, несколько миллисекунд, что соответствует скорости счета значительно ниже тысячи импульсов в секунду, имп / с). .

Постимпульсный шум [ править ]

Еще один эффект, который может вызвать лавину, известен как постимпульс. Когда происходит лавина, PN-переход заполняется носителями заряда, и уровни ловушек между валентной зоной и зоной проводимости становятся занятыми до степени, которая намного превышает ожидаемую при тепловом равновесии распределения носителей заряда. После гашения SPAD существует некоторая вероятность того, что носитель заряда на уровне ловушки получит достаточно энергии, чтобы освободить его из ловушки и продвинуть его в зону проводимости, что вызовет новую лавину. Таким образом, в зависимости от качества процесса и точных слоев и имплантатов, которые использовались для изготовления SPAD, значительное количество дополнительных импульсов может быть создано из одного исходящего теплового или фотогенерационного события.Степень остаточного импульса может быть определена количественно путем измерения автокорреляции времен прихода между лавинами, когда установлено измерение темнового подсчета. Тепловая генерация дает пуассоновскую статистику с автокорреляцией импульсной функции, а постимпульсная - непуассоновская статистика.

Фотонная синхронизация и джиттер [ править ]

Передний фронт лавинообразного пробоя SPAD особенно полезен для определения времени прибытия фотонов. Этот метод полезен для 3D-изображений, LIDAR и широко используется в физических измерениях, основанных на коррелированном по времени подсчете одиночных фотонов.(TCSPC). Однако для обеспечения такой функциональности требуются специализированные схемы, такие как преобразователи времени в цифровой (TDC) и аналогово-временные (TAC) цепи. Измерение прихода фотона осложняется двумя общими процессами. Во-первых, это статистическая флуктуация времени прибытия самого фотона, которая является фундаментальным свойством света. Во-вторых, статистическое изменение механизма обнаружения в SPAD из-за а) глубины поглощения фотонов, б) времени диффузии к активному pn-переходу, в) статистики нарастания лавины и г) дрожания обнаружения и схема синхронизации.

Коэффициент оптического заполнения [ править ]

Для одного SPAD отношение его оптически чувствительной области Aact к его общей площади Atot называется коэффициентом заполнения FF = 100 * (Aact / Atot). Поскольку для SPAD требуется защитное кольцо [1] [2] для предотвращения преждевременного пробоя краев, коэффициент оптического заполнения становится произведением формы и размера диода по отношению к его защитному кольцу. Если активная область большая, а внешнее защитное кольцо тонкое, устройство будет иметь высокий коэффициент заполнения. С помощью одного устройства наиболее эффективным методом обеспечения полного использования площади и максимальной чувствительности является фокусирование входящего оптического сигнала в пределах активной области устройства, то есть все падающие фотоны поглощаются в плоской области pn-перехода, так что любой фотон в этой области может вызвать лавину.

Фактор заполнения более применим, когда мы рассматриваем массивы устройств SPAD. [3]Здесь активная область диода может быть небольшой или соизмеримой с площадью защитного кольца. Аналогичным образом, процесс изготовления массива SPAD может накладывать ограничения на разделение одного защитного кольца на другое, то есть минимальное разделение SPAD. Это приводит к ситуации, когда в области массива преобладают защитное кольцо и области разделения, а не оптически воспринимающие pn-переходы. Коэффициент заполнения ухудшается, когда в массив должны быть включены схемы, поскольку это добавляет дополнительное разделение между оптически восприимчивыми областями. Одним из способов смягчения этой проблемы является увеличение активной области каждого SPAD в массиве, чтобы защитные кольца и разделение больше не были доминирующими, однако для интегрированных в CMOS SPAD ошибочные обнаружения, вызванные темновыми счетчиками, увеличиваются по мере увеличения размера диода. [6]

Геометрические улучшения [ править ]

Одним из первых методов увеличения коэффициентов заполнения в массивах круговых SPAD было смещение выравнивания чередующихся строк таким образом, чтобы кривая одного SPAD частично использовала область между двумя SPAD в соседней строке. [7] Это было эффективно, но усложняло маршрутизацию и расположение массива.

Чтобы устранить ограничения коэффициента заполнения в массивах SPAD, образованных круглыми SPAD, используются другие формы, поскольку они, как известно, имеют более высокие максимальные значения площади в пределах обычно квадратной области пикселей и имеют более высокие коэффициенты упаковки. Квадратный SPAD в квадратном пикселе обеспечивает самый высокий коэффициент заполнения, однако известно, что острые углы этой геометрии вызывают преждевременный выход из строя устройства, несмотря на защитное кольцо, и, следовательно, создают SPAD с высокой скоростью счета в темноте. В качестве компромисса были изготовлены квадратные SPAD с достаточно закругленными углами. [8] Они называются SPAD в форме Ферма, а сама форма представляет собой суперэллипс.или кривая Ламе. Эта номенклатура распространена в литературе по SPAD, однако кривая Ферма относится к частному случаю суперэллипса, который накладывает ограничения на соотношение длины формы «a» и ширины «b» (они должны быть одинаковыми, a = b = 1) и ограничивает степень кривой «n» четными целыми числами (2, 4, 6, 8 и т. д.). Степень «n» контролирует кривизну углов фигуры. В идеале, чтобы оптимизировать форму диода как для низкого уровня шума, так и для высокого коэффициента заполнения, параметры формы должны быть свободны от этих ограничений.

Чтобы минимизировать расстояние между активными областями SPAD, исследователи удалили все активные схемы из массивов [9], а также исследовали использование массивов CMOS SPAD только для NMOS для удаления защитного кольца SPAD в соответствии с правилами размещения n-лунок PMOS. [10] Это является преимуществом, но ограничивается расстояниями маршрутизации и перегрузкой в ​​центральные SPAD для больших массивов. Эта концепция была расширена для разработки массивов, в которых используются кластеры SPAD в так называемых мини-SiPM схемах [9].при этом меньший массив снабжен активной схемой на одном краю, позволяя примыкать второй небольшой массив к другому краю. Это уменьшило трудности маршрутизации, сохранив управляемое количество диодов в кластере и создав необходимое количество SPAD в сумме из совокупностей этих кластеров.

Значительный скачок в коэффициенте заполнения и шаге пикселей массива был достигнут за счет совместного использования глубокой n-лунки SPAD в процессах CMOS [11] [9], а в последнее время также совместного использования частей структуры защитного кольца. [12] Это удалило одно из основных защитных колец для правил разделения защитных колец и позволило увеличить коэффициент заполнения до 60 [13] или 70%. [14] [15] Идея совместного использования n-лунок и защитного кольца имела решающее значение в усилиях по уменьшению шага пикселей и увеличению общего количества диодов в матрице. Недавно шаг SPAD был уменьшен до 3,0 мкм [16] и 2,2 мкм. [12]

Перенося концепцию фотодиодов и APD, исследователи также исследовали использование дрейфующих электрических полей в подложке CMOS для привлечения фотогенерируемых носителей к активному pn переходу SPAD. [17] Таким образом можно получить большую оптическую область сбора с меньшей областью SPAD.

Еще одна концепция, перенесенная из технологий CMOS-датчиков изображения, - это исследование многослойных pn-переходов, подобных датчикам Foveon . Идея состоит в том, что фотоны более высоких энергий (синие) имеют тенденцию поглощаться на небольшой глубине поглощения, то есть вблизи поверхности кремния. [18] Красные и инфракрасные фотоны (более низкая энергия) проникают глубже в кремний. Если на такой глубине есть переход, можно улучшить красную и ИК-чувствительность. [19] [20]

Улучшения изготовления ИС [ править ]

С развитием технологий трехмерных ИС , то есть наложения интегральных схем, коэффициент заполнения можно было бы еще больше повысить, позволив оптимизировать верхний кристалл для массива SPAD с высоким коэффициентом заполнения, а нижний кристалл - для схем считывания и обработки сигналов. [21] Ввиду небольшого размера, высокоскоростные процессы для транзисторов могут потребовать иной оптимизации, чем оптически чувствительные диоды, 3D-IC позволяют оптимизировать слои по отдельности.

Оптические улучшения на уровне пикселей [ править ]

Как и с датчиками изображений CMOS микро-линзы могут быть изготовлены на массиве пикселей СПАДА , чтобы сфокусировать свет в центр SPAD. [22] Как и в случае с одиночным SPAD, это позволяет свету попадать только в чувствительные области и избегать как защитного кольца, так и любой маршрутизации, которая необходима внутри массива. Это также недавно включило линзы типа Френеля. [23]

Шаг пикселя [ править ]

Вышеупомянутые методы улучшения коэффициента заполнения, в основном сосредоточенные на геометрии SPAD наряду с другими достижениями, привели к тому, что массивы SPAD недавно преодолели барьер в 1 мегапиксель. [24] Хотя это отстает от датчиков изображения CMOS (с шагом теперь ниже 0,8 мкм), это результат как молодости области исследований (с CMOS SPAD, представленных в 2003 году), так и осложнений, связанных с высокими напряжениями, лавинным умножением внутри кремния. и необходимые правила интервалов.

Усилия по коммерциализации [ править ]

Несколько известных компаний в настоящее время производят или исследуют устройства SPAD и используют или планируют использовать SPAD в своих технологиях. Такие устройства могут использоваться как в подсчете фотонов, так и в приложениях для измерения времени фотонов. ST Microelectronics, Canon, [12] Sony, [25] Tower Semiconductor (ранее Tower Jazz), Phillips, [26] Micro Photon Devices (MPD), AMS, IDQuantique и Laser Components теперь предлагают CMOS SPAD и массивы, хотя этот список не исчерпывающий. Родственные технологии твердотельных кремниевых фотоумножителей(Si-PM) и многопиксельные счетчики фотонов (MPPC) были коммерциализированы и доступны через такие компании, как Ketek, On-Semiconductor (ранее SensL) и Hamamatsu. Несколько компаний, ориентированных на приложения, также внедрили SPAD для измерения дальности полета или предлагают интегрированные модули подсчета фотонов или синхронизации фотонов (Excelitas). См. Внешние ссылки .

Сравнение с APD [ править ]

Хотя и APD, и SPAD представляют собой полупроводниковые pn-переходы, которые сильно смещены в обратном направлении, принципиальная разница в их свойствах проистекает из их различных точек смещения на обратной ВАХ, то есть обратном напряжении, приложенном к их переходу. [1] ЛФД , в сравнении с SPAD, не смещен выше его напряжения пробоя. Это связано с тем, что, как известно, умножение носителей заряда происходит до пробоя устройства, и это используется для достижения стабильного усиления, которое изменяется в зависимости от приложенного напряжения. [27] [28] Для приложений оптического обнаружения результирующая лавина и последующий ток в цепи смещения линейно связаны с интенсивностью оптического сигнала.[18] Таким образом, APD полезен для достижения умеренного переднего усиления низкоинтенсивных оптических сигналов, но часто сочетается с трансимпедансным усилителем (TIA), поскольку на выходе APD подается ток, а не напряжение типичного усилителя. Результирующий сигнал представляет собой неискаженную, усиленную версию входного сигнала, позволяющую измерять сложные процессы, которые модулируют амплитуду падающего света. Внутренние коэффициенты усиления умножения для APD варьируются в зависимости от приложения, однако типичные значения составляют порядка нескольких сотен. Лавина носителей не расходится в этой рабочей области, в то время как лавина, присутствующая в SPAD, быстро перерастает в состояние убегания (расхождения). [2]

Для сравнения, SPAD работают при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Это настолько нестабильный режим над пробоем, что одиночный фотон или одиночный темновой электрон могут вызвать значительную лавину носителей. [1] Полупроводниковый pn переход полностью выходит из строя, и возникает значительный ток. Один фотон может вызвать всплеск тока, эквивалентный миллиардам миллиардов электронов в секунду (при этом это зависит от физического размера устройства и его напряжения смещения). Это позволяет последующим электронным схемам легко подсчитывать такие триггерные события. [29] Поскольку устройство генерирует событие запуска, концепция усиления не совсем совместима. Однако, поскольку эффективность обнаружения фотонов (PDE) SPAD зависит от напряжения обратного смещения,[2] [30] усиление в общем концептуальном смысле может использоваться для различения устройств с сильным смещением и, следовательно, с высокой чувствительностью по сравнению с устройствами со слабым смещением и, следовательно, с меньшей чувствительностью. В то время как APD могут усиливать входной сигнал, сохраняя любые изменения амплитуды, SPAD искажают сигнал, превращая его в серию событий запуска или импульса. Выходной сигнал по-прежнему можно рассматривать как пропорциональный интенсивности входного сигнала, однако теперь он преобразуется в частоту событий запуска, то есть в частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ). Импульсы можно подсчитывать [5], указывая на оптическую интенсивность входного сигнала, в то время как импульсы могут запускать схемы синхронизации для обеспечения точных измерений времени прибытия. [1] [2]

Одна из важных проблем, присутствующих в APD, - это шум умножения, вызванный статистическим изменением процесса умножения лавины. [27] [2] Это приводит к соответствующему коэффициенту шума на усиленном выходном фототоке. Статистическая изменчивость лавины также присутствует в устройствах SPAD, однако из-за процесса выхода из-под контроля она часто проявляется как временное дрожание при обнаружении события. [2]

Помимо области смещения, существуют также структурные различия между APD и SPAD, в основном из-за повышенных требуемых обратных напряжений смещения и необходимости для SPAD иметь длительный период покоя между событиями шумового триггера, чтобы они подходили для сигналов однофотонного уровня. быть измеренным.

История, развитие и первые пионеры [ править ]

История и развитие SPAD и APD разделяет ряд важных моментов с развитием твердотельных технологий, таких как диоды и ранние p – n-переходные транзисторы (в частности, военные усилия Bell Labs). Джон Таунсенд в 1901 и 1903 годах исследовал ионизацию газовых примесей внутри вакуумных трубок, обнаружив, что по мере увеличения электрического потенциала газовые атомы и молекулы могут ионизироваться кинетической энергией свободных электронов, ускоряемых электрическим полем. Затем новые освобожденные электроны сами были ускорены полем, создавая новые ионизации, как только их кинетическая энергия достигла достаточного уровня. Эта теория позже сыграла важную роль в разработке тиратрона и трубки Гейгера-Мюллера . ВРазряд Таунсенда также сыграл важную роль в качестве базовой теории явления размножения электронов (как постоянного, так и переменного тока) как в кремнии, так и в германии. [ необходима цитата ]

Однако основные успехи в раннем открытии и использовании механизма лавинного усиления были результатом исследования пробоя Зенера , связанных с ним ( лавинообразных) механизмов пробоя и структурных дефектов в ранних кремниевых и германиевых транзисторах и устройствах с p − ​​n-переходом. [31] Эти дефекты были названы « микроплазмами » и имеют решающее значение в истории APD и SPAD. Точно так же решающее значение имеет исследование светочувствительных свойств p – n-переходов, особенно выводы Рассела Ола в начале 1940-х годов . Обнаружение света в полупроводниках и твердых телах с помощью внутреннего фотоэлектрического эффекта является более ранним, поскольку Фостер Никс [32] указывает на работы Гуддена и Поля в 1920-х годах,[ необходима цитата ], которые используют фразу первичный и вторичный, чтобы различать внутренние и внешние фотоэлектрические эффекты соответственно. В 1950-х и 1960-х годах были предприняты значительные усилия для уменьшения количества пробоев микроплазмы и источников шума, при этом для исследований изготавливались искусственные микроплазмы. Стало ясно, что лавинный механизм может быть полезен для усиления сигнала внутри самого диода, поскольку для исследования этих устройств и механизмов пробоя использовались свет и альфа-частицы. [ необходима цитата ]

В начале 2000-х SPAD были реализованы в CMOS- процессах. Это радикально повысило их производительность (скорость счета в темноте, джиттер, шаг пикселя массива и т. Д.) И позволило использовать аналоговые и цифровые схемы, которые могут быть реализованы вместе с этими устройствами. Известные схемы включают подсчет фотонов с использованием быстрых цифровых счетчиков, синхронизацию фотонов с использованием как преобразователей времени в цифровой (TDC), так и аналогово-временного преобразователя (TAC), пассивные схемы гашения с использованием транзисторов NMOS или PMOS вместо поликремниевых резисторов. , схемы активного гашения и сброса для высоких скоростей счета и множество встроенных блоков цифровой обработки сигналов. Такие устройства, которые теперь достигают оптических коэффициентов заполнения> 70%, с> 1024 SPAD, с DCR <10 Гц и значениями джиттера в области 50ps теперь доступны с мертвым временем 1-2ns. [ необходима цитата ] В последних устройствах используются устаревшие технологии 3D-IC, такие как сквозные кремниевые переходные отверстия (TSV), для представления оптимизированного для SPAD верхнего слоя CMOS с высоким коэффициентом заполнения (узел 90 или 65 нм) со специальной обработкой и считыванием сигналов Слой CMOS (узел 45 нм). Значительные улучшения в отношении шума для SPAD были достигнуты с помощью инструментов моделирования процессов кремния, таких как TCAD, где защитные кольца, глубина переходов, а также структуры и формы устройств могут быть оптимизированы до проверки экспериментальными структурами SPAD.

См. Также [ править ]

  • Лавинный фотодиод (APD)
  • p – n переход
  • Кремниевый фотоумножитель (SiPM)
  • Датчик двоичного изображения с передискретизацией

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Cova, S .; Ghioni, M .; Lacaita, A .; Самори, C .; Заппа, Ф. (1996). «Лавинные фотодиоды и схемы гашения для однофотонного детектирования». Прикладная оптика . 35 (12): 1956–76. Bibcode : 1996ApOpt..35.1956C . DOI : 10,1364 / AO.35.001956 . PMID  21085320 . S2CID  12315693 .
  2. ^ a b c d e f g h Ф. Заппа, С. Тиса, А. Този и С. Кова (2007). "Принципы и особенности однофотонных лавинных диодных решеток" . Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 140 (1): 103–112. DOI : 10.1016 / j.sna.2007.06.021 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ a b Клаудио Брускини, Харальд Хомулле, Иван Мишель Антолович, Самуэль Бурри и Эдоардо Чарбон (2019). «Однофотонные лавинные диодные формирователи изображения в биофотонике: обзор и перспективы» . Свет: наука и приложения . 8 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ J. Zhang, М. Itzler, Х. Збинден и Дж Пан (2015). «Достижения в системах однофотонных детекторов InGaAs / InP для квантовой связи» . Свет: наука и приложения . 4 (5): e286. arXiv : 1501.06261 . Bibcode : 2015LSA ..... 4E.286Z . DOI : 10.1038 / lsa.2015.59 . S2CID 6865451 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ a b Eisele, A .; Хендерсон, Р .; Schmidtke, B .; Функ, Т .; Grant, L .; Richardson, J .; Freude, W.: скорость счета 185 МГц, однофотонный лавинный диод с динамическим диапазоном 139 дБ с активной схемой гашения на основе 130 нм CMOS-технологии. Междунар. Мастерская по датчикам изображения (IISW'11), Хоккайдо, Япония; Бумага R43; Июнь 2011 г.
  6. ^ Д. Бронзи, Ф. Вилла, С. Беллисаи, С. Тиса, Г. Рипамонти и А. Този (2013). Соболевский, Роман; Фирасек, Яромир (ред.). «Знаки качества для CMOS SPAD и массивов». Proc. SPIE 8773, Приложения для подсчета фотонов IV; и квантовая оптика, передача и обработка квантовой информации . Приложения для подсчета фотонов IV; и квантовая оптика, передача и обработка квантовой информации. 8773 : 877304. Bibcode : 2013SPIE.8773E..04B . DOI : 10.1117 / 12.2017357 . S2CID 120426318 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ RJ Walker, EAG Webster, J. Li, N. Massari и RK Henderson (2012). «Цифровые кремниевые фотоумножители с высоким коэффициентом заполнения в 130-нм технологии формирования изображений CMOS». In Proc: 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Record (NSS / MIC) : 1945–1948. DOI : 10,1109 / NSSMIC.2012.6551449 . ISBN 978-1-4673-2030-6. S2CID  26430979 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. Перейти ↑ JA Richardson, EAG Webster, LA Grant и RK Henderson (2011). «Масштабируемые однофотонные структуры лавинного диода в нанометровой КМОП-технологии». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 58 (7): 2028–2035. Bibcode : 2011ITED ... 58.2028R . DOI : 10.1109 / TED.2011.2141138 . S2CID 35369946 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ a b c Ричард Уокер и Лео ХК Брага и Ахмет Т. Эрдоган, Леонардо Гаспарини и Линдси А. Грант, Роберт Хендерсон и Никола Массари, Маттео Перензони и Дэвид Стоппа (2013). «Датчик времени с разрешением 92k SPAD и 0,13 мкм CIS-технология для приложений ПЭТ / МРТ» (PDF) . In Proc: International Image Sensor Workshop (IISW), 2013 .
  10. ^ Э. Вебстер, Р. Уокер, Р. Хендерсон и Л. Грант (2012). «Кремниевый фотоумножитель с эффективностью обнаружения> 30% при длине волны 450–750 нм и шагом 11,6 мкм только для NMOS-пикселей с коэффициентом заполнения 21,6% в CMOS-матрице 130 нм». In Proc: 2012 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Bordeaux, 2012 : 238–241. DOI : 10.1109 / ESSDERC.2012.6343377 . ISBN 978-1-4673-1708-5. S2CID  10130988 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Л. Панчери и Д. Стоппа (2007). «Малошумящие КМОП однофотонные лавинные диоды с мертвым временем 32 нс». Труды Европейской конференции по исследованиям твердотельных устройств, Мюнхен, Германия : 362–365. DOI : 10.1109 / ESSDERC.2007.4430953 . ISBN 978-1-4244-1123-8. S2CID  32255573 .
  12. ^ a b c К. Моримото и Э. Чарбон (2020). «Миниатюрные массивы SPAD с высоким коэффициентом заполнения и методом разделения защитного кольца» . Оптика Экспресс . 28 (9): 13068–13080. Bibcode : 2020OExpr..2813068M . DOI : 10,1364 / OE.389216 . PMID 32403788 - через OSA. 
  13. ^ Симинг Рен, Питер WR Коннолли, Абдеррахим Халими, Йоанн Альтманн, Стивен Маклафлин, Иштван Дьонги, Роберт К. Хендерсон и Джеральд С. Буллер (2018). «Профилирование глубины с высоким разрешением с использованием квантового датчика изображения CMOS SPAD с диапазоном стробирования» . Оптика Экспресс . 26 (5): 5541–5557. Bibcode : 2018OExpr..26.5541R . DOI : 10,1364 / OE.26.005541 . PMID 29529757 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Е. Vilella, О. Алонсо, А. Монтьель, А. Вила, и А. Дьегес (2013). "Малошумный однофотонный детектор с синхронизацией по времени в технологии HV-CMOS для создания изображений с синхронизацией по времени". Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 201 : 342–351. DOI : 10.1016 / j.sna.2013.08.006 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ «Времяпролетный датчик глубины с разрешением 100 м, 10 кадров / с, 340x96 пикселей, 0,18 мкм CMOS». Труды Европейской конференции по твердотельным схемам (ESSCIRC) : 107–110. 2011. DOI : 10,1109 / ESSCIRC.2011.6044926 . S2CID 6436431 . 
  16. ↑ Ziyang You, Лука Пармезан, Сара Пеллегрини и Роберт К. Хендерсон (2017). "Шаг 3 мкм, массивы SPAD активного диаметра 1 мкм в технологии формирования изображений CMOS 130 нм" (PDF) . In Proc: Международный семинар по датчикам изображений (IISW) . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Джеганнатан, Гобинатх; Ингельбертс, Ганс; Куйк, Маартен (2020). «Однофотонный лавинный диод с током (CASPAD), изготовленный на стандартной КМОП-матрице с длиной волны 350 нм» . Прикладные науки . 10 (6): 2155. DOI : 10,3390 / app10062155 .
  18. ^ a b Sze, SM (2001). Полупроводниковые приборы: физика и техника, 2-е издание . John Wiley and Sons, Inc.
  19. Перейти ↑ RK Henderson, EAG Webster and LA Grant (2013). «Однофотонный лавинный диод с двойным переходом на основе 130-нм КМОП-технологии». Письма об электронных устройствах IEEE . 34 (3): 429–431. Bibcode : 2013IEDL ... 34..429H . DOI : 10,1109 / LED.2012.2236816 . S2CID 31895707 . 
  20. ^ Х. Финкельштейн, MJ Hsu и SC Esener (2007). «Двухпереходный однофотонный лавинный диод» . Письма об электронике . 43 (22): 1228. Bibcode : 2007ElL .... 43.1228F . doi : 10.1049 / el: 20072355 - через IEEE.
  21. ↑ Ли, Мён-Джэ; Ксименес, Аугусто Ронкини; Падманабхан, Прити; Ван, Цзы-цзюй; Хуанг, Куо-Чин; Ямасита, Юичиро; Яунг, Дун-Нянь; Чарбон, Эдоардо (2018). «Высокопроизводительный трехмерный многослойный однофотонный лавинный диод с задней подсветкой, реализованный по 45-нм КМОП-технологии» (PDF) . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 24 (6): 2827669. Bibcode : 2018IJSTQ..2427669L . DOI : 10.1109 / JSTQE.2018.2827669 . S2CID 21729101 .  
  22. ↑ G. Intermite и RE Warburton, A. McCarthy, X. Ren и F. Villa, AJ Waddie, MR Taghizadeh, Y. Zou, Franco Zappa, Alberto Tosi и Gerald S. Buller (2015). Прочазка, Иван; Соболевский, Роман; Джеймс, Ральф Б. (ред.). «Повышение коэффициента заполнения массивов CMOS SPAD с помощью интеграции микролинз». SPIE: Приложения для подсчета фотонов 2015 . Приложения для подсчета фотонов 2015. 9504 : 64–75. Bibcode : 2015SPIE.9504E..0JI . DOI : 10.1117 / 12.2178950 . S2CID 91178727 . 
  23. ^ Питер WR Коннолли, Симинг Рен, Аонгус Маккарти, Ханнинг Май, Федерика Вилла, Эндрю Дж. Вадди, Мохаммад Р. Тагизаде, Альберто Този, Франко Заппа, Роберт К. Хендерсон и Джеральд С. Буллер (2020). «Дифракционные микролинзы с высоким коэффициентом концентрации, интегрированные с решетками однофотонных лавинных диодных детекторов CMOS для улучшения коэффициента заполнения» . OSA: Прикладная оптика . 59 (14): 4488–4498. Bibcode : 2020ApOpt..59.4488C . DOI : 10,1364 / AO.388993 . PMC 7340373 . PMID 32400429 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  24. ↑ Казухиро Моримото, Андрей Арделеан, Минг-Ло Ву, Арин Джан Улку, Иван Мишель Антолович, Клаудио Брускини и Эдоардо Чарбон (2020). «Мегапиксельный датчик изображения SPAD с синхронизацией по времени для приложений обработки изображений 2D и 3D» . OSA: Optica . 7 (4): 346–354. arXiv : 1912.12910 . Bibcode : 2020 Оптический ... 7..346M . DOI : 10.1364 / OPTICA.386574 . S2CID 209515304 - через OSA. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. ^ Д. Ван NIEUWENHOVE, В. VAN DER ТЕМПЕЛ, М. KUIJK и Г. JEGANNATHAN (2019). "Патент: WO2019002252 - ОДНОФОТОННЫЙ ЛАВИННЫЙ ДИОД И СПОСОБ РАБОТЫ ОДНОФОТОННОГО ЛАВИННОГО ДИОДА" . патентная сфера . Дата обращения 18 мая 2020 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Ю. Haemischa, Т. Fracha, С. Degenhardta и А. Тон (2012). «Полностью цифровые матрицы кремниевых фотоумножителей (dSiPM) - масштабируемая альтернатива вакуумным фотоумножителям (ФЭУ)» . Физические процедуры . 37 : 1546–1560. Bibcode : 2012PhPro..37.1546H . doi : 10.1016 / j.phpro.2012.03.749 - через Elsevier.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ а б Макинтайр, RJ (1972). "Распределение выигрышей в равномерно множащихся лавинных фотодиодах: теория". Транзакции IEEE на электронных устройствах . 19 (6): 703–713. Bibcode : 1972ITED ... 19..703M . DOI : 10,1109 / Т-ED.1972.17485 .
  28. ^ Э. Фишер (2018). «Принципы и раннее историческое развитие кремниевых лавинных фотодиодов и фотодиодов режима Гейгера». В кн .: Подсчет фотонов - основы и приложения. Под редакцией: Н. Бритун и А. Никифоров .
  29. ^ Фишберн, Мэтью (2012). Основы КМОП однофотонных лавинных диодов . Делфт, Нидерланды: Технологический университет Делфта: докторская диссертация. ISBN 978-94-91030-29-1.
  30. Перейти ↑ C. Kimura и J. Nishizawa (1968). «Механизм включения микроплазмы». Японский журнал прикладной физики . 7 (12): 1453–1463. Bibcode : 1968JaJAP ... 7.1453K . DOI : 10,1143 / JJAP.7.1453 .
  31. Перейти ↑ McIntyre, RJ (1961). «Теория микроплазменной неустойчивости в кремнии». Журнал прикладной физики . Американский институт физики. 32 (6): 983–995. Bibcode : 1961JAP .... 32..983M . DOI : 10.1063 / 1.1736199 .
  32. ^ Никс, Фостер С. (1932). «Фотопроводимость». Обзоры современной физики . 4 (4): 723–766. Bibcode : 1932RvMP .... 4..723N . DOI : 10.1103 / RevModPhys.4.723 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СТ Микроэлектроника
  • IDQuantique
  • Полупроводник в корпусе Tower
  • О полупроводнике
  • Микрофотонные устройства (MDP)
  • AMS
  • Лазерные компоненты
  • Хамамацу
  • Кетек
  • Excelitas