Однофотонный лавинный диод - Single-photon avalanche diode

Коммерческий однофотонный лавинный диодный модуль для оптических фотонов

А однофотонный лавинный диод (SPAD) - твердотельный фотоприемник в той же семье, что и фотодиоды и лавинные фотодиоды (APD), а также фундаментально связаны с базовыми диод поведение. Как и в случае с фотодиодами и APD, SPAD основан на полупроводнике. p-n переход что может быть освещено ионизирующего излучения такие как гамма-, рентгеновские лучи, бета- и альфа-частицы вместе с широкой частью электромагнитный спектр от ультрафиолета (УФ) через видимые длины волн и до инфракрасного (ИК).

В фотодиоде с низким напряжение обратного смещения, ток утечки изменяется линейно с поглощением фотонов, т.е. высвобождением носителей тока (электронов и / или дырок) из-за внутренних фотоэлектрический эффект. Однако в SPAD[1][2]обратное смещение настолько велико, что явление, называемое ударная ионизация возникает, что может вызвать развитие лавинного тока. Просто фото-созданный носитель ускоряется электрическое поле в устройстве к кинетическая энергия чего достаточно, чтобы преодолеть энергия ионизации из объемного материала, выбивая электроны из атома. Большая лавина носителей тока растет 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 низкой синхронизации устройства. дрожь.

Принципиальная разница между SPAD и APD или фотодиоды, заключается в том, что SPAD смещен намного выше своего напряжение пробоя обратного смещения и имеет конструкцию, позволяющую работать без повреждений или чрезмерного шума. Хотя APD может действовать как линейный усилитель, уровень ударной ионизации и лавины внутри SPAD побудил исследователей сравнить это устройство с Счетчик Гейгера в котором выходные импульсы указывают на событие триггера или «щелчка». Область смещения диода, которая вызывает это поведение типа «щелчка», поэтому называется «Гейгеровский режим" область, край.

Как и в случае с фотодиодами, диапазон длин волн, в котором он наиболее чувствителен, зависит от свойств его материала, в частности запрещенная зона энергии в пределах полупроводник. Многие материалы, включая кремний, германий и другие III-V элементы были использованы для изготовления SPAD для большого количества приложений, которые теперь используют процесс убегающей лавины. По этой теме ведется много исследований по внедрению систем на основе SPAD в CMOS технологии изготовления[3], а также исследование и использование комбинаций материалов III-V[4] для однофотонного обнаружения на определенных длинах волн.

Приложения

С 1970-х годов применение SPAD значительно увеличилось. Недавние примеры их использования включают: лидары, время полета (ToF) 3D-изображения, ПЭТ сканирование ning, однофотонные эксперименты в области физики, время жизни флуоресценции микроскопия и оптические коммуникации (особенно квантовое распределение ключей ).

Операция

Рисунок 1 - Тонкое поперечное сечение SPAD.

Структуры

SPAD полупроводник устройства на базе p – n переход с обратным смещением при напряжении Vа что превышает напряжение пробоя VB перехода (Рисунок 1 ).[требуется разъяснение ][1] "При таком предубеждении электрическое поле настолько высок [выше 3 × 105 В / см], что один носитель заряда, введенный в обедненный слой, может вызвать самоподдерживающуюся лавину. Ток быстро растет [время нарастания субнаносекунды] до макроскопического устойчивого уровня в миллиамперном диапазоне. Если основная несущая генерируется фото, передний фронт лавинообразного импульса отмечает [с пикосекундным временным джиттером] время прибытия обнаруженного фотон."[1] Течение продолжается до тех пор, пока лавина не будет погашена понижением напряжение смещения VD до или ниже VB:[1] более низкое электрическое поле больше не может ускорять носители для ударной ионизации с решетка атомов, 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. Восстановить фотодиод на оперативный уровень.

Эту схему обычно называют схемой гашения ".[1]

Области смещения и вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика СПАД, показывающая отключенную и закрытую

Полупроводниковый p-n-переход может быть смещен в нескольких рабочих областях в зависимости от приложенного напряжения. Для нормального однонаправленного диод При работе 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 p-n переход может работать как единичное усиление. фотодиод. По мере увеличения обратного смещения может происходить некоторое внутреннее усиление за счет умножения несущей, 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, p-n-переход выходит из строя, когда напряженность электрического поля на p-n-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, превышающим напряжение 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 высок [выше 3 × 105 В / см], что один носитель заряда, введенный в обедненный слой, может вызвать самоподдерживающуюся лавину. Ток быстро растет [время нарастания субнаносекунды] до макроскопического устойчивого уровня в миллиамперном диапазоне. Если основная несущая генерируется фото, передний фронт лавинообразного импульса отмечает [с пикосекундным временным джиттером] время прибытия обнаруженного фотон "[1].

Поскольку характеристика зависимости тока от напряжения (ВАХ) p-n 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 полная блокировка потока заряда (тока) через переход, за исключением небольшого тока утечки ( наноамперы). Это состояние можно охарактеризовать 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 колебаний выдерживает лавинный ток, который описывается как «прямая ветвь» ВАХ. По мере того, как измеритель 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] (def: разделение чего-либо на две ветви или части). Для успешного обнаружения одиночных фотонов p-n-переход должен иметь очень низкие уровни процессов внутренней генерации и рекомбинации. Чтобы уменьшить тепловыделение, устройства часто охлаждаются, в то время как такие явления, как туннелирование через p-n-переходы, также необходимо уменьшить за счет тщательного проектирования полупроводниковых присадок и ступеней имплантата. Наконец, для уменьшения механизмов шума, усугубляемых захватом центров в запрещенной структуре p-n-перехода, диод должен иметь «чистый» процесс, свободный от ошибочных примесей.

Пассивные схемы гашения

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 перекрестки. Лавинный ток гаснет просто потому, что вызывает падение напряжения на большом значении. балластная нагрузка рL (около 100 кОм и более). После гашения лавинного тока смещение SPAD VD медленно восстанавливается до Vа, и поэтому детектор 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 приведено Zappa et al.[1]

Схемы активного гашения

Более продвинутая закалка, которая исследовалась с 1970-х годов, представляет собой схему, называемую активное тушение. В этом случае быстрый дискриминатор определяет резкое начало лавинообразного тока через резистор 50 Ом (или встроенный транзистор) и выдает цифровой (CMOS, TTL, ECL, НИМ ) 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 изменение мертвого времени.

Подсчет фотонов и насыщение

Интенсивность входного сигнала можно получить, посчитав (счет фотонов ) количество выходных импульсов за период измерения. Это полезно для таких приложений, как визуализация при слабом освещении, сканирование ПЭТ и микроскопия времени жизни флуоресценции. Однако, в то время как схема восстановления лавин гасит лавину и восстанавливает смещение, SPAD не может обнаруживать дальнейшие приходы фотонов. Любые фотоны (или счетчики темноты или остаточные импульсы), которые достигают детектора в течение этого короткого периода, не учитываются. По мере того, как количество фотонов увеличивается так, что (статистический) временной интервал между фотонами оказывается в пределах примерно десяти раз от времени восстановления лавины, недостающие подсчеты становятся статистически значимыми, и скорость счета начинает отклоняться от линейной зависимости с обнаруженным уровнем освещенности. . В этот момент SPAD начинает насыщаться. Если бы уровень освещенности продолжал увеличиваться, в конечном итоге до точки, когда SPAD немедленно сходил бы с лавины в тот момент, когда схема восстановления лавины восстанавливает смещение, скорость счета достигает максимума, определяемого исключительно временем восстановления лавины в случае активного гашения (сотни миллионов импульсов в секунду или больше[5]). Это может быть вредным для SPAD, поскольку он будет испытывать лавинообразный поток почти непрерывно. В пассивном случае насыщение может привести к уменьшению скорости счета после достижения 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, влечет за собой снижение максимальной скорости счета на 1 / е.

Темновая скорость счета (DCR)

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. Полученное среднее число отсчетов в секунду называется темновая скорость счета (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 до того, как 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 отсчетов в секунду, имп / с). .

Постимпульсный шум

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 равновесном распределении 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 получено 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 счета. Тепловая генерация дает пуассоновскую статистику с автокорреляцией импульсной функции, а постимпульсная - непуассоновская статистика.

Фотонная синхронизация и джиттер

Передний фронт лавинного пробоя SPAD особенно полезен для определения времени прибытия фотонов. Этот метод полезен для 3D-изображений, LIDAR и широко используется в физических измерениях, основанных на коррелированный по времени счет 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. Первый - 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) джиттера обнаружения и схема синхронизации.

Фактор оптического заполнения

Для одного SPAD отношение его оптически чувствительной области, Aact, к его общей площади, Atot, называется коэффициент заполнения, FF = 100 * (Aact / Atot). Поскольку SPAD требует защитного кольца [1][2] Чтобы предотвратить преждевременный выход из строя краев, коэффициент оптического заполнения зависит от 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. При использовании 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.

Коэффициент заполнения более применимо, когда мы рассматриваем массивы устройств SPAD[3]. Здесь активная область диода может быть небольшой или соизмеримой с площадью защитного кольца. Точно так же 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 p-n-переходы. Коэффициент заполнения ухудшается, когда в массив должны быть включены схемы, поскольку это добавляет дополнительное разделение между оптически воспринимающими 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

Одним из первых методов увеличения коэффициентов заполнения в массивах круговых SPAD было смещение выравнивания альтернативных 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]. Их называют Ферма формы SPAD, в то время как сама форма 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 не должны иметь 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 для правил размещения n-лунок PMOS[10]. Это полезно, но ограничивается расстояниями маршрутизации и перегрузкой в ​​центральных SPAD для больших массивов. Концепция была расширена для разработки массивов, которые используют кластеры SPAD в так называемых схемах mini-SiPM.[9] при этом меньший массив снабжен активной схемой на одном краю, позволяя примыкать второй небольшой массив к другому краю. Это уменьшило трудности с маршрутизацией, 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 глубоких n-лунок SPAD в процессах CMOS.[11][9], а в последнее время также разделяют части 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 была решающей в усилиях по снижению 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 ЛФД, исследователи также исследовали использование дрейфующих электрических полей внутри КМОП-подложки для притяжения фотогенерируемых носителей к активному p-n-переходу SPAD.[17]. Таким образом можно получить большую оптическую область сбора с меньшей областью SPAD.

Еще одна концепция, перенесенная из технологий КМОП-датчиков изображения, - это исследование многослойных p-n-переходов, подобных Фовеон датчики. 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 стык, можно улучшить красную и ИК-чувствительность.[19][20]

Улучшения изготовления ИС

С развитием 3D IC технологии т. е. наложение интегральных схем, коэффициент заполнения можно дополнительно повысить, допустив оптимизацию верхнего кристалла для массива SPAD с высоким коэффициентом заполнения, а нижнего кристалла - 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.

Улучшения оптики на уровне пикселей

Как с датчиками изображения CMOS микролинзы может быть изготовлен на массиве пикселей SPAD для фокусировки света в центре SPAD[22]. Как и в случае с одним 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

Вышеупомянутые методы повышения 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 исследовательской области (с CMOS SPAD, представленных в 2003 году), так и осложнений, связанных с высокими напряжениями, лавинным умножением внутри кремния и необходимостью правила размещения.

Усилия по коммерциализации

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 является исчерпывающим. Родственные технологии твердотельных кремниевые фотоумножители (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). Видеть Внешняя ссылка.

Сравнение с APD

Хотя оба APD и SPAD представляют собой полупроводниковые p-n-переходы, которые сильно смещены в обратном направлении, принципиальная разница в их свойствах обусловлена ​​их разными точками смещения на обратной ВАХ, то есть обратном напряжении, приложенном к их переходу.[1] An APD, по сравнению с SPAD, не смещается выше своего 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 возникающая лавина и последующий ток в цепи смещения линейно связаны с интенсивностью оптического сигнала.[18] Поэтому APD полезен для достижения умеренного переднего усиления низкоинтенсивных оптических сигналов, но часто сочетается с трансимпедансный усилитель (TIA), поскольку на выходе APD отображается ток, а не напряжение типичного усилителя. Результирующий сигнал представляет собой неискаженную, усиленную версию входного сигнала, что позволяет измерять сложные процессы, которые модулируют амплитуду падающего света. Коэффициенты усиления внутреннего умножения для APD зависят 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 p-n-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 изменяется в зависимости 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 более низкой 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, т. Е. частотно-импульсная модуляция (PFM). Импульсы можно подсчитать[5] дает индикацию оптической интенсивности входного сигнала, а импульсы могут запускать схемы синхронизации для обеспечения точных измерений времени прибытия.[1][2]

Одна важная проблема присутствует в APD - 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 разгона она часто проявляется в виде дрожания во времени при обнаружении события.[2]

Наряду с областью смещения, существуют также структурные различия между APD и SPAD, в основном из-за требуемых повышенных напряжений обратного 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 первооткрыватели

История и развитие SPAD и APD разделяет ряд важных моментов с развитием твердотельных технологий, таких как диоды и первые p – n-переходные транзисторы (особенно во время войны в Bell Labs). Джон Таунсенд в 1901 и 1903 годах исследовали ионизацию газовых примесей внутри вакуумных трубок, обнаружив, что по мере увеличения электрического потенциала газовые атомы и молекулы могут ионизироваться под действием кинетической энергии свободных электронов, ускоренных 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 развитии тиратрон и Трубка Гейгера-Мюллера. В Выписка из 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.[нужна цитата ]

Однако основные достижения в раннем открытии и использовании механизма лавинного усиления были результатом изучения Пробой стабилитрона, связанные с (лавина) поломка механизмы и структурные дефекты в ранних кремниевых и германиевых транзисторах и устройствах с p − ​​n-переходом.[31] Эти дефекты были названы 'микроплазмы 'и имеют решающее значение в истории APD и SPAD. Точно так же исследование свойств обнаружения света p − n-переходами имеет решающее значение, особенно результаты ранних 1940-х годов: Рассел Ол. Обнаружение света в полупроводниках и твердых телах с помощью внутреннего фотоэлектрического эффекта - это более старая версия Foster Nix. [32] указывая на работы Гуддена и Поля в 1920-х годах,[нужна 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 изучения этих устройств и механизмов пробоя использовались свет и альфа-частицы.[нужна цитата ]

В начале 2000-х годов SPAD были внедрены в CMOS процессы. 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 обоих время-цифровые преобразователи (TDC) и аналогово-временные преобразователи (TAC), схемы пассивного 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, теперь достигающие оптических коэффициенты заполнения > 70%, с> 1024 SPAD, с DCR <10 Гц и значениями джиттера в диапазоне 50 пс теперь доступны с мертвым временем 1-2 нс.[нужна 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) с выделенным уровнем обработки сигналов и считывания 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Cova, S .; Гиони, М .; 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. Дои:10.1364 / AO.35.001956. PMID  21085320. S2CID  12315693.
  2. ^ а б c d е ж грамм час 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. Дои:10.1016 / j.sna.2007.06.021.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  3. ^ а б 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 (связь)
  4. ^ Дж. Чжан, М. Итцлер, 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. Дои:10.1038 / lsa.2015.59. S2CID  6865451.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ а б 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 по технологии 130 нм CMOS 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. Дои:10.1117/12.2017357. S2CID  120426318.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  7. ^ Р. Дж. Уокер, Э. А. Г. Вебстер, Дж. Ли, Н. Массари и Р. К. Хендерсон (2012). «Цифровые кремниевые фотоумножители с высоким коэффициентом заполнения в 130-нм технологии формирования изображений CMOS». In Proc: Отчет о симпозиуме по ядерной науке IEEE 2012 г. и конференции по медицинской визуализации (NSS / MIC): 1945–1948. Дои:10.1109 / NSSMIC.2012.6551449. ISBN  978-1-4673-2030-6. S2CID  26430979.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ Дж. А. Ричардсон, Э. А. Г. Вебстер, Л. А. Грант и Р. К. Хендерсон (2011). "Масштабируемые однофотонные структуры лавинного диода в нанометровой КМОП-технологии". Транзакции IEEE на электронных устройствах. 58 (7): 2028–2035. Bibcode:2011ITED ... 58.2028R. Дои:10.1109 / TED.2011.2141138. S2CID  35369946.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ а б c Ричард Уокер и Лео Х. К. Брага, Ахмет Т. Эрдоган, Леонардо Гаспарини и Линдси А. Грант, Роберт Хендерсон, Никола Массари, Маттео Перензони и Дэвид Стоппа (2013). «Датчик с временным разрешением 92k SPAD и 0,13 мкм CIS-технология для ПЭТ / МРТ» (PDF). In Proc: Международный семинар по датчикам изображения (IISW), 2013 г..
  10. ^ Э. Вебстер, Р. Уокер, Р. Хендерсон и Л. Грант (2012). "A Silicon Photomultiplier with >30% Detection Efficiency from 450-750nm and 11.6um Pitch NMOS-Only Pixel with 21.6% Fill Factor in 130nm CMOS". In Proc: 2012 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), Bordeaux, 2012: 238–241. Дои:10.1109/ESSDERC.2012.6343377. ISBN  978-1-4673-1708-5. S2CID  10130988.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  11. ^ L. Pancheri and D. Stoppa (2007). "Low-Noise CMOS single-photon avalanche diodes with 32 ns dead time". Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference, Muenchen, Germany: 362–365. Дои:10.1109/ESSDERC.2007.4430953. ISBN  978-1-4244-1123-8. S2CID  32255573.
  12. ^ а б c K Morimoto and E Charbon (2020). "High fill-factor miniaturized SPAD arrays with a guard-ring-sharing technique". Оптика Экспресс. 28 (9): 13068–13080. Bibcode:2020OExpr..2813068M. Дои:10.1364/OE.389216. PMID  32403788 – via OSA.
  13. ^ Ximing Ren, Peter W. R. Connolly, Abderrahim Halimi, Yoann Altmann, Stephen McLaughlin, Istvan Gyongy, Robert K. Henderson, and Gerald S. Buller (2018). "High-resolution depth profiling using a range-gated CMOS SPAD quanta image sensor". Оптика Экспресс. 26 (5): 5541–5557. Bibcode:2018OExpr..26.5541R. Дои:10.1364/OE.26.005541. PMID  29529757.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ E. Vilella, O. Alonso, A. Montiel, A. Vila, and A. Dieguez (2013). "A Low-Noise Time-Gated Single-Photon Detector in a HV-CMOS Technology for Triggered Imaging". Датчики и исполнительные механизмы A: физические. 201: 342–351. Дои:10.1016/j.sna.2013.08.006.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  15. ^ "A 100m-Range 10-Frame/s 340x96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18um CMOS". Proceedings of the European Solid-State Circuits Conference (ESSCIRC): 107–110. 2011. Дои:10.1109/ESSCIRC.2011.6044926. S2CID  6436431.
  16. ^ Ziyang You, Luca Parmesan, Sara Pellegrini and Robert K. Henderson (2017). "3um Pitch, 1um Active Diameter SPAD Arrays in 130nm CMOS Imaging Technology" (PDF). In Proc: International Image Sensor Workshop (IISW).CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  17. ^ Jegannathan, Gobinath; Ingelberts, Hans; Kuijk, Maarten (2020). "Current-Assisted Single Photon Avalanche Diode (CASPAD) Fabricated in 350 nm Conventional CMOS". Прикладные науки. 10 (6): 2155. Дои:10.3390/app10062155.
  18. ^ а б Sze, S.M. (2001). Semiconductor Devices: Physics and Technology, 2nd Edition. John Wiley and Sons, Inc.
  19. ^ R. K. Henderson, E. A. G. Webster and L. A. Grant (2013). "A Dual-Junction Single-Photon Avalanche Diode in 130-nm CMOS Technology". Письма об электронных устройствах IEEE. 34 (3): 429–431. Bibcode:2013IEDL...34..429H. Дои:10.1109/LED.2012.2236816. S2CID  31895707.
  20. ^ H. Finkelstein, M. J. Hsu and S. C. Esener (2007). "Dual-junction single-photon avalanche diode". Письма об электронике. 43 (22): 1228. Bibcode:2007ElL....43.1228F. Дои:10.1049/el:20072355 – via IEEE.
  21. ^ Lee, Myung-Jae; Ximenes, Augusto Ronchini; Padmanabhan, Preethi; Wang, Tzu-Jui; Huang, Kuo-Chin; Yamashita, Yuichiro; Yaung, Dun-Nian; Charbon, Edoardo (2018). "High-Performance Back-Illuminated Three-Dimensional Stacked Single-Photon Avalanche Diode Implemented in 45-nm CMOS Technology" (PDF). IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 24 (6): 2827669. Bibcode:2018IJSTQ..2427669L. Дои:10.1109/JSTQE.2018.2827669. S2CID  21729101.
  22. ^ G. Intermite and R. E. Warburton and A. McCarthy and X. Ren and F. Villa and A. J. Waddie and M. R. Taghizadeh and Y. Zou and Franco Zappa and Alberto Tosi and Gerald S. Buller (2015). Prochazka, Ivan; Sobolewski, Roman; James, Ralph B (eds.). "Enhancing the fill-factor of CMOS SPAD arrays using microlens integration". SPIE: Photon Counting Applications 2015. Photon Counting Applications 2015. 9504: 64–75. Bibcode:2015SPIE.9504E..0JI. Дои:10.1117/12.2178950. S2CID  91178727.
  23. ^ Peter W. R. Connolly, Ximing Ren, Aongus McCarthy, Hanning Mai, Federica Villa, Andrew J. Waddie, Mohammad R. Taghizadeh, Alberto Tosi, Franco Zappa, Robert K. Henderson, and Gerald S. Buller (2020). "High concentration factor diffractive microlenses integrated with CMOS single-photon avalanche diode detector arrays for fill-factor improvement". OSA: Applied Optics. 59 (14): 4488–4498. Bibcode:2020ApOpt..59.4488C. Дои:10.1364/AO.388993. ЧВК  7340373. PMID  32400429.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  24. ^ Kazuhiro Morimoto, Andrei Ardelean, Ming-Lo Wu, Arin Can Ulku, Ivan Michel Antolovic, Claudio Bruschini, and Edoardo Charbon (2020). "Megapixel time-gated SPAD image sensor for 2D and 3D imaging applications". OSA: Optica. 7 (4): 346–354. arXiv:1912.12910. Bibcode:2020Optic...7..346M. Дои:10.1364/OPTICA.386574. S2CID  209515304 – via OSA.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  25. ^ D. VAN NIEUWENHOVE, W. VAN DER TEMPEL, M. KUIJK and G. JEGANNATHAN (2019). "Patent: WO2019002252 - SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODE AND METHOD FOR OPERATING A SINGLE-PHOTON AVALANCHE DIODE". patentscope. Получено 18 мая 2020.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  26. ^ Y. Haemischa, T. Fracha, C. Degenhardta and A. Thon (2012). "Fully Digital Arrays of Silicon Photomultipliers (dSiPM) – a Scalable Alternative to Vacuum Photomultiplier Tubes (PMT)". Physics Procedia. 37: 1546–1560. Bibcode:2012PhPro..37.1546H. Дои:10.1016/j.phpro.2012.03.749 - через Elsevier.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  27. ^ а б McIntyre, R.J. (1972). "The Distribution of Gains in Uniformly Multiplying Avalanche Photodiodes: Theory". Транзакции IEEE на электронных устройствах. 19 (6): 703–713. Bibcode:1972ITED...19..703M. Дои:10.1109/T-ED.1972.17485.
  28. ^ E. Fisher (2018). "Principles and Early Historical Development of Silicon Avalanche and GeigerMode Photodiodes". In Book: Photon Counting - Fundamentals and Applications. Edited by: N. Britun and A. Nikiforov.
  29. ^ Fishburn, Matthew (2012). Fundamentals of CMOS Single-Photon Avalanche Diodes. Delft, The Netherlands: Delft University of Technology: Doctoral Thesis. ISBN  978-94-91030-29-1.
  30. ^ C. Kimura and J. Nishizawa (1968). "Turn-on Mechanism of a Microplasma". Японский журнал прикладной физики. 7 (12): 1453–1463. Bibcode:1968JaJAP...7.1453K. Дои:10.1143/JJAP.7.1453.
  31. ^ McIntyre, RJ (1961). "Theory of microplasma instability in silicon". Журнал прикладной физики. Американский институт физики. 32 (6): 983–995. Bibcode:1961JAP....32..983M. Дои:10.1063/1.1736199.
  32. ^ Nix, Foster C. (1932). "Photo-conductivity". Обзоры современной физики. 4 (4): 723–766. Bibcode:1932RvMP....4..723N. Дои:10.1103/RevModPhys.4.723.

Внешняя ссылка