Jednofotonowa dioda lawinowa
Jednofotonowa dioda lawinowa (SPAD) to półprzewodnikowy fotodetektor należący do tej samej rodziny, co fotodiody i fotodiody lawinowe (APD), a jednocześnie jest zasadniczo powiązany z podstawowymi zachowaniami diod . Podobnie jak w przypadku fotodiod i APD, SPAD opiera się na półprzewodnikowym złączu pn , które może być oświetlane promieniowaniem jonizującym , takim jak promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie, cząstki beta i alfa, wraz z szeroką częścią widma elektromagnetycznego od ultrafioletu (UV) poprzez widzialne długości fal do podczerwieni (IR).
W fotodiodzie, przy niskim napięciu polaryzacji wstecznej , prąd upływu zmienia się liniowo wraz z pochłanianiem fotonów, czyli uwalnianiem się nośników prądu (elektronów i/lub dziur) w wyniku wewnętrznego efektu fotoelektrycznego . Jednak w SPAD odwrotna polaryzacja jest tak duża, że zachodzi zjawisko zwane jonizacją uderzeniową , które może spowodować powstanie prądu lawinowego. Po prostu fotogenerowany nośnik jest przyspieszany przez pole elektryczne w urządzeniu do energii kinetycznej wystarczającej do pokonania energii jonizacji materiału sypkiego, wybijając elektrony z atomu. Duża lawina nośników prądu rośnie wykładniczo i może zostać uruchomiona już od pojedynczego nośnika inicjowanego fotonem. SPAD jest w stanie wykryć pojedyncze fotony, dostarczając impulsy wyzwalające o krótkim czasie trwania, które można policzyć. jitter taktowania urządzenia .
Podstawowa różnica między SPAD a APD lub fotodiodami polega na tym, że SPAD jest spolaryzowany znacznie powyżej napięcia przebicia polaryzacji wstecznej i ma strukturę, która umożliwia działanie bez uszkodzeń lub nadmiernego hałasu. Podczas gdy APD może działać jako wzmacniacz liniowy, poziom jonizacji uderzeniowej i lawiny w SPAD skłonił badaczy do porównania urządzenia do licznika Geigera, w którym impulsy wyjściowe wskazują zdarzenie wyzwalające lub „klik”. Obszar polaryzacji diody, który powoduje to zachowanie typu „kliknięcia”, jest zatem nazywany obszarem „ modu Geigera ”.
Podobnie jak w przypadku fotodiod, obszar długości fali, w którym jest najbardziej czuły, jest iloczynem jego właściwości materiałowych, w szczególności pasma wzbronionego energii w półprzewodniku . Wiele materiałów, w tym krzem , german i inne pierwiastki III-V, zostało użytych do wytworzenia SPAD do wielu różnych zastosowań, które obecnie wykorzystują proces uciekania lawin. Istnieje wiele badań w tym temacie z działalnością implementacji systemów opartych na SPAD w CMOS technologie wytwarzania oraz badania i wykorzystanie kombinacji materiałów III-V do wykrywania pojedynczych fotonów przy dedykowanych długościach fal.
Aplikacje
Od lat 70. XX wieku znacznie wzrosło zastosowanie SPAD-ów. Ostatnie przykłady ich zastosowania obejmują lidary , obrazowanie 3D czasu lotu (ToF), skanowanie PET , eksperymenty z pojedynczym fotonem w fizyce, mikroskopię czasu życia fluorescencji i komunikację optyczną (zwłaszcza kwantową dystrybucję klucza ).
Operacja
Struktury
SPAD to urządzenia półprzewodnikowe oparte na złączu p-n spolaryzowanym zaporowo przy napięciu roboczym przekraczającym napięcie przebicia złącza ( Rysunek 1 ). „Przy tym odchyleniu pole elektryczne jest tak wysokie [wyższe niż 3 × 10 5 V/cm], że pojedynczy nośnik ładunku wstrzyknięty do warstwy zubożonej może wywołać samopodtrzymującą się lawinę. Prąd szybko wzrasta [czas narastania poniżej nanosekundy] do makroskopowego stałego poziomu w zakresie miliamperów. Jeśli główna nośna jest fotogenerowana, przednia krawędź impulsu lawinowego oznacza [z pikosekundowym jitterem] czas nadejścia wykrytego fotonu ” . napięcie przebicia: niższe pole elektryczne nie jest już w stanie przyspieszyć zderzenia jonizacji nośników z siecią atomy, dlatego prąd ustaje. Aby móc wykryć kolejny foton, napięcie polaryzacji musi zostać ponownie podniesione powyżej przebicia.
„Ta operacja wymaga odpowiedniego obwodu, który musi:
- Poczuj krawędź natarcia prądu lawinowego.
- Wygeneruj standardowy impuls wyjściowy zsynchronizowany z narastaniem lawiny.
- Ugaś lawinę, obniżając polaryzację do napięcia przebicia.
- Przywróć fotodiodę do poziomu operacyjnego.
Ten obwód jest zwykle określany jako obwód hartowania.
Obszary polaryzacji i charakterystyka prądowo-napięciowa
Półprzewodnikowe złącze pn może być spolaryzowane w kilku obszarach roboczych w zależności od przyłożonego napięcia. W przypadku normalnej pracy diody jednokierunkowej obszar polaryzacji w kierunku przewodzenia i napięcie w kierunku przewodzenia są wykorzystywane podczas przewodzenia, podczas gdy obszar polaryzacji w kierunku przeciwnym zapobiega przewodzeniu. Podczas pracy z niskim napięciem polaryzacji wstecznej złącze pn może działać jako fotodioda o wzmocnieniu równym jedności . Wraz ze wzrostem polaryzacji wstecznej może wystąpić pewne wewnętrzne wzmocnienie poprzez zwielokrotnienie nośnej, co pozwala fotodiodzie działać jako fotodioda lawinowa (APD) ze stabilnym wzmocnieniem i liniową odpowiedzią na optyczny sygnał wejściowy. Jednak wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji złącze pn pęka, gdy natężenie pola elektrycznego na złączu pn osiągnie poziom krytyczny. Ponieważ to pole elektryczne jest indukowane przez napięcie polaryzacji na złączu, oznacza się je jako napięcie przebicia VBD. SPAD jest spolaryzowany zaporowo z nadmiernym napięciem polaryzacji, Vex, powyżej napięcia przebicia, ale poniżej drugiego, wyższego napięcia przebicia związanego z pierścieniem ochronnym SPAD. Całkowite odchylenie (VBD+Vex) przekracza zatem napięcie przebicia w takim stopniu, że „przy tym odchyleniu pole elektryczne jest tak wysokie [wyższe niż 3×10 5 V/cm], że pojedynczy nośnik ładunku wstrzyknięty do warstwy zubożonej może wywołać samopodtrzymującą się lawinę. Prąd szybko wzrasta [czas narastania poniżej nanosekundy] do makroskopowego stałego poziomu w zakresie miliamperów. Jeśli główna nośna jest fotogenerowana, przednia krawędź impulsu lawinowego oznacza [z pikosekundowym jitterem] czas nadejścia wykrytego fotonu ”.
Ponieważ charakterystyka prądowo-napięciowa (IV) złącza pn dostarcza informacji o przewodnictwie diody, jest to często mierzone za pomocą analogowego wskaźnika krzywej. To zamiata napięcie polaryzacji w drobnych krokach w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W przypadku SPAD, bez nadejścia fotonów lub nośników generowanych termicznie, charakterystyka IV jest podobna do charakterystyki odwrotnej standardowej diody półprzewodnikowej, tj. prawie całkowite zablokowanie przepływu ładunku (prądu) przez złącze inne niż mały prąd upływu ( nanoampery). Ten stan można opisać jako „poza gałęzią” cechy.
Jednak po przeprowadzeniu tego eksperymentu można zaobserwować efekt „migotania” i drugą cechę IV poza awarią. Dzieje się tak, gdy SPAD doświadczył zdarzenia wyzwalającego (przybycie fotonu lub nośnika generowanego termicznie) podczas przemiatania napięcia, które są przykładane do urządzenia. SPAD podczas tych przemiatań podtrzymuje prąd lawinowy, który jest opisywany jako „na gałęzi” charakterystyki IV. Ponieważ funkcja śledzenia krzywej zwiększa wielkość napięcia polaryzacji w czasie, zdarzają się sytuacje, w których SPAD jest wyzwalany podczas przemiatania napięcia powyżej przebicia. W tym przypadku następuje przejście z odgałęzienia do rozgałęzienia, przy czym zaczyna płynąć znaczny prąd. Prowadzi to do migotania cechy IV, które jest obserwowane i zostało określone przez wczesnych badaczy w tej dziedzinie jako „bifurkacja” (def: podział czegoś na dwie gałęzie lub części). Aby pomyślnie wykryć pojedyncze fotony, złącze pn musi mieć bardzo niski poziom wewnętrznych procesów generowania i rekombinacji. Aby ograniczyć generowanie ciepła, urządzenia są często chłodzone, a zjawiska takie jak tunelowanie w poprzek złączy pn również muszą być redukowane poprzez staranne projektowanie domieszek półprzewodnikowych i etapów implantacji. Wreszcie, aby zredukować mechanizmy szumu zaostrzane przez centra pułapkowania w strukturze pasma wzbronionego złącza pn, dioda musi mieć „czysty” proces wolny od błędnych domieszek.
Pasywne obwody gaszenia
Najprostszy obwód wygaszania jest powszechnie nazywany pasywnym obwodem wygaszania i zawiera pojedynczy rezystor połączony szeregowo z SPAD. Ta eksperymentalna konfiguracja była stosowana od wczesnych badań nad załamaniem lawinowym na skrzyżowaniach . Prąd lawinowy gasi się samoczynnie, ponieważ powoduje spadek napięcia na obciążeniu balastowym o dużej wartości R L (około 100 kΩ lub więcej). Po wygaszeniu prądu lawinowego polaryzacja SPAD powoli wraca do polaryzacji roboczej, dzięki czemu detektor jest gotowy do ponownego zapłonu. Ten tryb obwodu jest zatem nazywany pasywnym hartowaniem pasywnym resetowaniem (PQPR), chociaż aktywny element obwodu może być używany do resetowania, tworząc tryb obwodu pasywnego gaszenia aktywnego resetowania (PQAR). Szczegółowy opis procesu hartowania podano w Zappa et al.
Aktywne obwody gaszenia
Bardziej zaawansowanym hartowaniem, które badano od lat 70. XX wieku, jest schemat zwany aktywnym hartowaniem . W tym przypadku szybki dyskryminator wykrywa stromy początek prądu lawinowego na rezystorze 50 Ω (lub zintegrowanym tranzystorze) i zapewnia cyfrowe ( CMOS , TTL , ECL , NIM ) impuls wyjściowy, synchroniczny z czasem nadejścia fotonu. Obwód następnie szybko obniża napięcie polaryzacji poniżej przebicia (aktywne wygaszanie), a następnie stosunkowo szybko przywraca napięcie polaryzacji powyżej napięcia przebicia, gotowe do wykrycia następnego fotonu. Ten tryb nazywany jest aktywnym resetem aktywnego gaszenia (AQAR), jednak w zależności od wymagań obwodu, bardziej odpowiedni może być aktywny reset pasywny hartowania (AQPR). Obwody AQAR często pozwalają na krótsze czasy martwe i znacznie zmniejszają zmienność czasu martwego.
Zliczanie i nasycanie fotonów
Natężenie sygnału wejściowego można uzyskać poprzez zliczanie ( zliczanie fotonów ) liczby impulsów wyjściowych w okresie pomiarowym. Jest to przydatne w zastosowaniach, takich jak obrazowanie przy słabym oświetleniu, skanowanie PET i fluorescencyjna mikroskopia czasu życia. Jednak podczas gdy obwód odzyskiwania lawinowego gasi lawinę i przywraca polaryzację, SPAD nie może wykryć dalszych nadejścia fotonów. Wszelkie fotony (lub ciemne zliczenia lub impulsy wtórne), które docierają do detektora w tym krótkim okresie, nie są liczone. Gdy liczba fotonów wzrasta tak, że (statystyczny) odstęp czasu między fotonami zbliża się do około dziesięciokrotnego współczynnika czasu powrotu lawiny, brakujące zliczenia stają się statystycznie istotne, a szybkość zliczania zaczyna odbiegać od liniowej zależności od wykrytego poziomu światła . W tym momencie SPAD zaczyna się nasycać. Jeśli poziom światła miałby wzrosnąć dalej, ostatecznie do punktu, w którym SPAD natychmiast przejdzie lawinowo w momencie, gdy obwód odzyskiwania lawinowego przywróci polaryzację, szybkość zliczania osiągnie maksimum określone wyłącznie przez czas odzyskiwania lawinowego w przypadku aktywnego gaszenia (sto milionów zliczeń na sekundę lub więcej). Może to być szkodliwe dla SPAD, ponieważ prawie nieprzerwanie będzie doświadczać prądu lawinowego. W przypadku pasywnym nasycenie może prowadzić do zmniejszenia szybkości zliczania po osiągnięciu maksimum. Nazywa się to paraliżem, w wyniku którego foton przybywający, gdy SPAD biernie się ładuje, ma mniejsze prawdopodobieństwo wykrycia, ale może wydłużyć czas martwy. Warto zauważyć, że wygaszanie pasywne, choć prostsze do wdrożenia pod względem obwodów, wiąże się z redukcją maksymalnej szybkości zliczania o 1/e.
Szybkość zliczania w ciemności (DCR)
Oprócz nośników generowanych przez fotony, nośniki generowane termicznie (poprzez procesy generowania-rekombinacji w półprzewodniku) mogą również wyzwalać proces lawinowy. Dlatego możliwa jest obserwacja impulsów wyjściowych, gdy SPAD jest w całkowitej ciemności. Wynikowa średnia liczba zliczeń na sekundę jest nazywana szybkością zliczeń ciemnych (DCR) i jest kluczowym parametrem przy określaniu szumu detektora. Warto zauważyć, że odwrotność wskaźnika ciemnego zliczania określa średni czas, w którym SPAD pozostaje obciążony powyżej przebicia, zanim zostanie wyzwolony przez niepożądane generowanie ciepła. Dlatego, aby działać jako detektor pojedynczego fotonu, SPAD musi być w stanie pozostawać spolaryzowany powyżej przebicia przez wystarczająco długi czas (np. kilka milisekund, co odpowiada szybkości zliczania znacznie poniżej tysiąca zliczeń na sekundę, cps) .
Hałas po pulsowaniu
Innym efektem, który może wywołać lawinę, jest tzw. afterpulsing. Kiedy pojawia się lawina, złącze PN zostaje zalane nośnikami ładunku, a poziomy pułapek między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa zostają zajęte w stopniu znacznie większym niż oczekiwany w rozkładzie nośników ładunku w równowadze termicznej. Po wygaszeniu SPAD istnieje pewne prawdopodobieństwo, że nośnik ładunku na poziomie pułapki otrzyma wystarczającą ilość energii, aby uwolnić go z pułapki i przenieść do pasma przewodnictwa, co wywoła nową lawinę. Tak więc, w zależności od jakości procesu oraz dokładnych warstw i implantów, które zostały użyte do wytworzenia SPAD, znaczna liczba dodatkowych impulsów może zostać wywołana z pojedynczego zdarzenia termicznego lub fotogeneracyjnego. Stopień wtórnego pulsowania można określić ilościowo, mierząc autokorelację czasów nadejścia lawin, gdy ustawiony jest pomiar zliczania w ciemności. Generowanie termiczne tworzy statystyki Poissona z autokorelacją funkcji impulsowej, a przetwarzanie wtórne generuje statystyki nie-Poissonowskie.
Czas i jitter fotonów
Krawędź natarcia załamania lawinowego SPAD jest szczególnie przydatna do określania czasu nadejścia fotonów. Ta metoda jest przydatna w obrazowaniu 3D, LIDAR i jest szeroko stosowana w pomiarach fizycznych polegających na skorelowanym w czasie zliczaniu pojedynczych fotonów (TCSPC). Aby jednak umożliwić taką funkcjonalność, wymagane są dedykowane obwody, takie jak przetworniki czasowo-cyfrowe (TDC) i obwody czasowo-analogowe (TAC). Pomiar nadejścia fotonu komplikują dwa ogólne procesy. Pierwszym z nich jest statystyczna fluktuacja czasu nadejścia samego fotonu, która jest podstawową właściwością światła. Drugi to statystyczna zmienność mechanizmu detekcji w obrębie SPAD spowodowana a) głębokością absorpcji fotonu, b) czasem dyfuzji do aktywnego złącza pn, c) statystyką narastania lawiny oraz d) jitterem detekcji i obwód czasowy.
Optyczny współczynnik wypełnienia
Dla pojedynczego SPAD stosunek jego powierzchni optycznie czułej A act do całkowitej powierzchni A tot nazywa się współczynnikiem wypełnienia {{{1}}} . Ponieważ SPAD wymagają pierścienia ochronnego, aby zapobiec przedwczesnemu uszkodzeniu krawędzi, współczynnik wypełnienia optycznego staje się iloczynem kształtu i rozmiaru diody w stosunku do jej pierścienia ochronnego. Jeśli obszar aktywny jest duży, a zewnętrzny pierścień ochronny jest cienki, urządzenie będzie miało wysoki współczynnik wypełnienia. W przypadku jednego urządzenia najskuteczniejszą metodą zapewnienia pełnego wykorzystania obszaru i maksymalnej czułości jest skupienie przychodzącego sygnału optycznego w obszarze aktywnym urządzenia, tj. wszystkie padające fotony są absorbowane w płaskim obszarze złącza pn w taki sposób, że każdy foton w tym obszarze może wywołać lawinę.
Współczynnik wypełnienia jest bardziej odpowiedni, gdy rozważamy macierze urządzeń SPAD. Tutaj obszar aktywny diody może być mały lub współmierny do obszaru pierścienia ochronnego. Podobnie, proces wytwarzania układu SPAD może nakładać ograniczenia na separację jednego pierścienia ochronnego od drugiego, tj. minimalną separację SPAD. Prowadzi to do sytuacji, w której obszar macierzy zostaje zdominowany przez pierścień ochronny i obszary separacji, a nie optycznie receptywne złącza pn. Współczynnik wypełnienia pogarsza się, gdy obwody muszą być zawarte w macierzy, ponieważ dodaje to dalszej separacji między obszarami receptywnymi optycznie. Jedną z metod złagodzenia tego problemu jest zwiększenie aktywnego obszaru każdego SPAD-a w macierzy, tak aby pierścienie ochronne i separacja nie były już dominujące, jednak w przypadku SPAD-ów zintegrowanych z CMOS, wraz ze wzrostem rozmiaru diody wzrasta liczba błędnych detekcji spowodowana ciemnymi zliczeniami.
Ulepszenia geometryczne
Jedną z pierwszych metod zwiększania współczynników wypełnienia w szykach okrągłych SPAD było przesunięcie wyrównania naprzemiennych rzędów tak, aby krzywa jednego SPAD częściowo wykorzystywała obszar między dwoma SPAD w sąsiednim rzędzie. Było to skuteczne, ale skomplikowało routing i układ tablicy.
Aby uwzględnić ograniczenia współczynnika wypełnienia w macierzach SPAD utworzonych z okrągłych SPAD, stosuje się inne kształty, ponieważ wiadomo, że mają one wyższe maksymalne wartości powierzchni w typowo kwadratowym obszarze piksela i mają wyższe współczynniki upakowania. Kwadratowy SPAD w kwadratowym pikselu osiąga najwyższy współczynnik wypełnienia, jednak wiadomo, że ostre rogi tej geometrii powodują przedwczesne uszkodzenie urządzenia, pomimo pierścienia ochronnego, aw konsekwencji wytwarzają SPAD z wysokim współczynnikiem zliczania ciemnych elementów. Aby pójść na kompromis, wyprodukowano kwadratowe SPAD-y z wystarczająco zaokrąglonymi rogami. Nazywa się je Fermata , podczas gdy sam kształt jest superelipsą lub krzywą Lamégo. Ta nomenklatura jest powszechna w literaturze SPAD, jednak krzywa Fermata odnosi się do szczególnego przypadku superelipsy, który nakłada ograniczenia na stosunek długości kształtu „a” do szerokości „b” (muszą być takie same, a = b = 1) i ogranicza stopień krzywej „n” do parzystych liczb całkowitych (2, 4, 6, 8 itd.). Stopień „n” kontroluje krzywiznę narożników kształtu. Idealnie, aby zoptymalizować kształt diody zarówno pod kątem niskiego poziomu szumów, jak i wysokiego współczynnika wypełnienia, parametry kształtu powinny być wolne od tych ograniczeń.
Aby zminimalizować odstępy między obszarami aktywnymi SPAD, badacze usunęli wszystkie aktywne obwody z macierzy i zbadali również wykorzystanie macierzy CMOS SPAD tylko z NMOS w celu usunięcia pierścienia ochronnego SPAD do reguł odstępów n-dołków PMOS. Jest to korzystne, ale jest ograniczone przez odległości trasowania i przeciążenie w centralnych SPADach dla większych macierzy. Koncepcja została rozszerzona w celu opracowania macierzy, które wykorzystują klastry SPAD w tak zwanych układach mini-SiPM, w których mniejsza macierz jest wyposażona w aktywne obwody na jednej krawędzi, co pozwala na przyleganie drugiej małej tablicy do innej krawędzi. Zmniejszyło to trudności z routingiem, utrzymując liczbę diod w klastrze do zarządzania i tworząc łącznie wymaganą liczbę SPAD ze zbiorów tych klastrów.
Znaczący skok współczynnika wypełnienia i rozstawu pikseli macierzy został osiągnięty dzięki współdzieleniu głębokich n-dołków SPAD w procesach CMOS, a ostatnio także współdzieleniu części struktury pierścienia ochronnego. To usunęło jedną z głównych zasad oddzielania pierścieni ochronnych od pierścieni ochronnych i umożliwiło zwiększenie współczynnika wypełnienia do 60 lub 70%. Pomysł współdzielenia n-dołków i pierścienia ochronnego był kluczowy w wysiłkach na rzecz obniżenia rozstawu pikseli i zwiększenia całkowitej liczby diod w macierzy. Ostatnio skoki SPAD zostały zmniejszone do 3,0 um i 2,2 um.
Przenosząc koncepcję z fotodiod i APD, badacze zbadali również wykorzystanie dryfujących pól elektrycznych w podłożu CMOS w celu przyciągnięcia fotogenerowanych nośników w kierunku aktywnego złącza pn SPAD. W ten sposób można uzyskać duży obszar zbierania optycznego przy mniejszym obszarze SPAD.
Inną koncepcją przeniesioną z technologii czujników obrazu CMOS jest eksploracja ułożonych w stos złączy pn, podobnych do czujników Foveon . Chodzi o to, że fotony o wyższej energii (kolor niebieski) są zwykle absorbowane na niewielkiej głębokości absorpcji, tj. w pobliżu powierzchni krzemu. Fotony czerwone i podczerwone (o niższej energii) wędrują głębiej w krzem. Jeśli na tej głębokości znajduje się złącze, można poprawić czułość czerwieni i podczerwieni.
Ulepszenia w produkcji układów scalonych
Wraz z rozwojem technologii układów scalonych 3D , tj. układania układów scalonych w stosy, współczynnik wypełnienia można jeszcze bardziej zwiększyć, umożliwiając optymalizację górnej matrycy pod kątem układu SPAD o wysokim współczynniku wypełnienia, a dolnej matrycy dla obwodów odczytu i przetwarzania sygnału. Ponieważ małe wymiary, szybkie procesy dla tranzystorów mogą wymagać innej optymalizacji niż optycznie czułe diody, układy scalone 3D umożliwiają osobną optymalizację warstw.
Ulepszenia optyczne na poziomie pikseli
Podobnie jak w przypadku czujników obrazu CMOS, mikrosoczewki mogą być wytwarzane na matrycy pikseli SPAD, aby skupiać światło na środku SPAD. Podobnie jak w przypadku pojedynczego SPAD-a, światło dociera tylko do wrażliwych obszarów i unika zarówno pierścienia ochronnego, jak i trasowania, które jest potrzebne w obrębie układu. Ostatnio obejmowało to również soczewki typu Fresnela.
Rozstaw pikseli
Powyższe metody poprawy współczynnika wypełnienia, koncentrujące się głównie na geometrii SPAD wraz z innymi udoskonaleniami, doprowadziły ostatnio macierze SPAD do przekroczenia bariery 1 megapiksela. Chociaż jest to opóźnienie w stosunku do czujników obrazu CMOS (z podziałką poniżej 0,8 um), jest to efekt zarówno młodości dziedziny badawczej (wraz z CMOS SPAD wprowadzonymi w 2003 r.), jak i komplikacji związanych z wysokimi napięciami, mnożeniem lawinowym w krzemie i wymaganą zasady odstępów.
Porównanie z APD
Podczas gdy zarówno APD, jak i SPAD są półprzewodnikowymi złączami pn, które są silnie spolaryzowane zaporowo, zasadnicza różnica we właściwościach wynika z różnych punktów polaryzacji na charakterystyce IV zawrotnej, tj. napięcia wstecznego przyłożonego do ich złącza. APD w porównaniu do SPAD, nie jest obciążony powyżej napięcia przebicia. Dzieje się tak, ponieważ wiadomo, że zwielokrotnienie nośników ładunku następuje przed awarią urządzenia, co jest wykorzystywane do uzyskania stabilnego wzmocnienia, które zmienia się wraz z przyłożonym napięciem. W zastosowaniach wykrywania optycznego wynikająca z tego lawina i następujący po niej prąd w obwodzie polaryzacji jest liniowo powiązany z intensywnością sygnału optycznego. APD jest zatem przydatny do uzyskania umiarkowanego wzmocnienia z przodu sygnałów optycznych o niskim natężeniu, ale często jest łączony z wzmacniacza transimpedancyjnego (TIA), ponieważ wyjściem APD jest prąd, a nie napięcie typowego wzmacniacza. Sygnał wynikowy jest niezniekształconą, wzmocnioną wersją sygnału wejściowego, pozwalającą na pomiar złożonych procesów modulujących amplitudę padającego światła. Wewnętrzne współczynniki wzmocnienia mnożenia dla APD różnią się w zależności od zastosowania, jednak typowe wartości są rzędu kilkuset. Lawina przewoźników nie jest rozbieżna w tym rejonie operacyjnym, podczas gdy lawina występująca w SPAD-ach szybko przechodzi w stan ucieczki (rozbieżności).
Dla porównania, SPAD działają przy napięciu polaryzacji powyżej napięcia przebicia. Jest to tak wysoce niestabilny reżim powyżej rozpadu, że pojedynczy foton lub pojedynczy elektron ciemnego prądu może wywołać znaczną lawinę nośników. Półprzewodnikowe złącze pn zostaje całkowicie zerwane i powstaje znaczny prąd. Pojedynczy foton może wywołać skok prądu odpowiadający miliardom miliardów elektronów na sekundę (przy czym zależy to od fizycznego rozmiaru urządzenia i jego napięcia polaryzacji). Pozwala to kolejnym obwodom elektronicznym na łatwe zliczanie takich zdarzeń wyzwalających. Ponieważ urządzenie generuje zdarzenie wyzwalające, koncepcja wzmocnienia nie jest ściśle zgodna. Jednakże, ponieważ skuteczność wykrywania fotonów (PDE) SPAD zmienia się wraz z napięciem polaryzacji wstecznej, wzmocnienie, w ogólnym sensie koncepcyjnym, może być użyte do rozróżnienia urządzeń, które są silnie spolaryzowane, a zatem bardzo czułe, w porównaniu z lekko spolaryzowanymi, a zatem o niższej czułości . Podczas gdy APD mogą wzmacniać sygnał wejściowy zachowując wszelkie zmiany amplitudy, SPAD zniekształcają sygnał w serię zdarzeń wyzwalających lub impulsowych. Wyjście można nadal traktować jako proporcjonalne do natężenia sygnału wejściowego, jednak jest ono teraz przekształcane na częstotliwość zdarzeń wyzwalających, tj. modulacja częstotliwości impulsów (PFM). Impulsy można zliczać, wskazując intensywność optyczną sygnału wejściowego, podczas gdy impulsy mogą wyzwalać obwody czasowe, aby zapewnić dokładne pomiary czasu nadejścia.
Jednym z kluczowych problemów występujących w APD jest szum mnożenia wywołany statystyczną zmiennością procesu mnożenia lawinowego. Prowadzi to do odpowiedniego współczynnika szumu na wyjściowym wzmocnionym fotoprądzie. Statystyczna zmienność lawiny jest również obecna w urządzeniach SPAD, jednak ze względu na niekontrolowany proces często objawia się jako fluktuacja czasu w przypadku wykrycia.
Wraz z ich obszarem polaryzacji istnieją również różnice strukturalne między APD i SPAD, głównie ze względu na zwiększone wymagane napięcia polaryzacji wstecznej i potrzebę posiadania przez SPAD długiego okresu spoczynku między zdarzeniami wyzwalającymi szum, aby były odpowiednie dla sygnałów o poziomie pojedynczego fotonu być mierzone.
Historia, rozwój i pierwsi pionierzy
Historia i rozwój SPAD i APD ma wiele wspólnych punktów z rozwojem technologii półprzewodnikowych, takich jak diody i wczesne tranzystory złączowe p – n (szczególnie działania wojenne w Bell Labs). Johna Townsenda w 1901 i 1903 badali jonizację gazów śladowych w lampach próżniowych, stwierdzając, że wraz ze wzrostem potencjału elektrycznego atomy i cząsteczki gazowe mogą ulegać jonizacji pod wpływem energii kinetycznej elektronów swobodnych przyspieszanych w polu elektrycznym. Nowe uwolnione elektrony były następnie przyspieszane przez pole, wytwarzając nowe jonizacje, gdy ich energia kinetyczna osiągnęła wystarczający poziom. Teoria ta odegrała później kluczową rolę w opracowaniu tyratronu i rury Geigera-Muellera . Wyładowanie Townsenda był również instrumentalny jako podstawowa teoria zjawisk mnożenia elektronów (zarówno DC, jak i AC), zarówno w krzemie, jak i germanie. [ potrzebne źródło ]
Jednak główne postępy we wczesnym odkryciu i wykorzystaniu mechanizmu wzmocnienia lawinowego były wynikiem badań rozpadu Zenera , powiązanych ( lawinowych) mechanizmów rozpadu i wad strukturalnych we wczesnych tranzystorach krzemowych i germanowych oraz urządzeniach łączących p – n. Defekty te nazwano „ mikroplazmami ” i są one krytyczne w historii APD i SPAD. Podobnie kluczowe jest badanie właściwości wykrywania światła przez złącza p – n, zwłaszcza odkrycia Russela Ohla z początku lat czterdziestych XX wieku . Wykrywanie światła w półprzewodnikach i ciałach stałych za pomocą wewnętrznego efektu fotoelektrycznego jest starsze, a Foster Nix wskazuje na prace Guddena i Pohla z lat dwudziestych XX wieku [ potrzebne źródło ] którzy używają wyrażenia pierwotnego i wtórnego, aby rozróżnić odpowiednio wewnętrzne i zewnętrzne efekty fotoelektryczne. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku podjęto znaczne wysiłki w celu zmniejszenia liczby rozpadów mikroplazmy i źródeł hałasu, wytwarzając sztuczne mikroplazmy do badań. Stało się jasne, że mechanizm lawinowy może być przydatny do wzmacniania sygnału w samej diodzie, ponieważ zarówno światło, jak i cząstki alfa zostały użyte do badania tych urządzeń i mechanizmów awarii. [ potrzebne źródło ]
Na początku XXI wieku SPAD zostały zaimplementowane w procesach CMOS . To radykalnie zwiększyło ich wydajność (szybkość zliczania w ciemności, jitter, rozstaw pikseli macierzy itp.) oraz wykorzystało obwody analogowe i cyfrowe, które można zaimplementować wraz z tymi urządzeniami. Godne uwagi obwody obejmują liczenie fotonów za pomocą szybkich liczników cyfrowych, synchronizację fotonów za pomocą obu konwerterów czasu na cyfrę (TDC) i konwertery czasowo-analogowe (TAC), pasywne obwody wygaszania wykorzystujące tranzystory NMOS lub PMOS zamiast rezystorów polikrzemowych, obwody aktywnego wygaszania i resetowania dla dużych szybkości zliczania oraz wiele wbudowanych bloków cyfrowego przetwarzania sygnałów . Takie urządzenia, osiągające obecnie optyczne współczynniki wypełnienia >70%, z >1024 SPADami, z DCR <10 Hz i wartościami jittera w regionie 50ps, są teraz dostępne z czasami martwymi 1-2ns. [ potrzebne źródło ] Najnowsze urządzenia porzuciły technologie 3D-IC, takie jak przelotki krzemowe (TSV), aby przedstawić górną warstwę CMOS zoptymalizowaną pod kątem SPAD o wysokim współczynniku wypełnienia (węzeł 90 nm lub 65 nm) z dedykowaną warstwą CMOS do przetwarzania i odczytu sygnału (45 nm). węzeł nm). Znaczące postępy w kategoriach szumów dla SPAD zostały osiągnięte dzięki narzędziom do modelowania procesu krzemowego, takim jak TCAD, gdzie pierścienie ochronne, głębokości połączeń oraz struktury i kształty urządzeń można zoptymalizować przed walidacją za pomocą eksperymentalnych struktur SPAD.