Bu tədqiqat LiDAR və uçuş-zamanlı dərinlik qavrayışı sistemlərində ayrı-ayrı fotonların gəliş vaxtını çox yüksək dəqiqliklə müəyyən etmək məqsədilə hazırlanmış arxadan işıqlandırılan tək-foton uçqun diodunu (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD) araşdırır. Tədqiqatçılar 40 nm CMOS görüntü sensoru (CIS) texnologiyasında istehsal etdikləri SPAD-ın epitaksial silikon qalınlığını, daşıyıcı toplama bölgəsini və guard-ring həndəsəsini xüsusilə zamanlama qeyri-müəyyənliyini azaltmaq üçün layihələndirirlər. Ən yaxşı struktur klassik fiziki P-well guard-ring əvəzinə zəif qatqılanmış epitaksial bölgənin bu funksiyanı yerinə yetirdiyi virtual guard ring (VG) dizaynıdır.

Optimallaşdırılmış qurğu LiDAR sistemlərində geniş istifadə olunan 940 nm yaxın infraqırmızı dalğa uzunluğunda, 5 V excess bias altında 46 ps FWHM timing jitter və %21 foton aşkarlama ehtimalı (PDP) təmin edir. Eyni qurğunun breakdown gərginliyi təxminən 15 V-dur. PDP spektrin təxminən 650 nm bölgəsində %39,4-ə çatır. Otaq temperaturunda 5 V excess bias altında ümumi dark count rate təxminən 2,7 kcps, normallaşdırılmış nəticə isə təxminən 550 cps/µm²-dir. Afterpulsing istifadə olunan ölçmə şərtlərində nəzərə alınmayacaq səviyyədə müəyyən edilmişdir.

46 ps zamanlama qeyri-müəyyənliyi LiDAR baxımından xüsusilə vacibdir. Tədqiqatda verilən təxminən 0,15 mm/ps uçuş-zamanı çevirməsindən istifadə edildikdə bu qiymət təxminən 6,9 mm dərinlik qeyri-müəyyənliyi miqyasına uyğun gəlir. Tədqiqatçıların ədəbiyyat müqayisəsində əvvəlki arxadan işıqlandırılan SPAD nümunələrinin 940 nm zamanlama jitter qiymətləri 100 ps və daha yuxarı səviyyədə qaldığı halda, bu işdəki qurğu 46 ps səviyyəsinə enir. Bununla belə, bu müqayisəyə fərqli texnologiya düyünləri, piksel strukturları və bəzi fərqli ölçmə şərtlərində yayımlanmış işlər daxildir; buna görə yalnız bir performans göstəricisinə əsaslanaraq ümumi qurğu üstünlüyü nəticəsi çıxarılmamalıdır.

Qurğu −30 °C ilə 90 °C arasındakı temperaturlarda ayrıca xarakterizə edilmişdir. Breakdown gərginliyinin temperatur əmsalı təxminən 13 mV/K ölçülmüş, 90 °C-də dark count rate təxminən 34 kcps səviyyəsinə yüksəlmişdir. Arrhenius analizi aşağı temperaturlarda təxminən 0,27 eV, yüksək temperaturlarda isə təxminən 0,47 eV aktivləşmə enerjisi göstərmiş; tədqiqatçılar bunu müvafiq olaraq trap-assisted tunneling və yüksək temperaturlarda daha nəzərəçarpan olan Shockley–Read–Hall termal yaranma mexanizmləri ilə əlaqələndirmişlər.

Türkiyə baxımından bu iş yerli LiDAR, robotik qavrayış, avtonom sistemlər, sənaye 3B görmə, artırılmış/virtual reallıq və fotonik sensor araşdırmaları üçün mühüm qurğu fizikası nümunəsidir. Lakin tədqiqatdakı SPAD-ın Türkiyədə və ya başqa bir ölkədə mövcud LiDAR məhsullarına birbaşa qoşula bilən hazır sensor olduğu nəticəsi çıxarıla bilməz. Tam tətbiq üçün SPAD massivinin piksel arxitekturası, quenching dövrəsi, zaman-rəqəmsal çevirici, optik sistem, mikrolinza, mühit işığının basdırılması, siqnal emalı, enerji sərfi və real hədəflərlə məsafə doğrulaması ayrıca aparılmalıdır.

Tək-foton uçqun diodu nədir?

SPAD əks istiqamətdə breakdown gərginliyinin üzərində işlədilən xüsusi PN keçididir. Bu iş rejiminə Geiger rejimi deyilir. Tək bir foton silikon daxilində elektron–deşik cütü yaratdıqda, kifayət qədər güclü elektrik sahəsi bu daşıyıcını sürətləndirərək uçqun çoxalmasını başlada bilər. Beləliklə, tək bir foton elektronika ilə asanlıqla aşkarlana bilən böyük cərəyan impulsuna çevrilə bilər.

Uçqun başladıqdan sonra xüsusi quenching dövrəsi cərəyanı dayandırır və SPAD yenidən aşkarlamaya hazırlanır. Buna görə SPAD-ın əsas üstünlüyü son dərəcə zəif optik siqnalları birbaşa rəqəmsal impulslara çevirə bilməsidir.

LiDAR üçün yalnız fotonu aşkarlamaq niyə kifayət etmir?

Time-of-flight LiDAR-da hədəfə qısa işıq impulsu göndərilir və geri qayıdan fotonun gəliş vaxtı ölçülür. İşığın gedib-qayıtma müddətindən hədəfə olan məsafə hesablandığı üçün fotonun gəliş vaxtındakı qeyri-müəyyənlik birbaşa məsafə qeyri-müəyyənliyinə çevrilir.

SPAD eyni optik hadisələri ölçərkən yaratdığı zaman paylanmasının eninə timing jitter deyilir. Tədqiqatda performans xüsusilə FWHM — paylanmanın yarım maksimumdakı tam eni — və FWTM — onda bir maksimumdakı tam eni — ilə qiymətləndirilir.

Mənbəyə görə təxminən hər 1 ps jitter LiDAR məsafəsində təxminən 0,15 mm qeyri-müəyyənlik miqyasına uyğundur. Buna görə 100 ps səviyyəli detektor təxminən 15 mm miqyaslı qeyri-müəyyənlik yarada bildiyi halda, tədqiqatçıların 46 ps nəticəsi təxminən 6,9 mm miqyasına uyğun gəlir.

Arxadan işıqlandırılan SPAD niyə istifadə olunur?

Front-illuminated SPAD-da işıq metal birləşmələrin və müxtəlif dielektrik qatların olduğu ön tərəfdən daxil olur. Bu qatlar daxil olan işığın bir hissəsini əks etdirə və ya uda bilər. Həmçinin 940 nm kimi yaxın infraqırmızı fotonlar silikonun daha dərin bölgələrində udulmağa meyllidir.

Back-illuminated quruluşda işıq silikonun arxa səthindən göndərilir. Beləliklə, ön tərəfdəki metal birləşmə və dövrə qatları foton yolunu əngəlləmir və avalanche multiplication region (AMR) daha uyğun dərinlikdə yerləşdirilə bilir.

Lakin bunun bir əvəzi var. Əvvəlki BI-SPAD dizaynlarında NIR səmərəliliyini yüksəltmək üçün daha qalın epitaksial silikon və geniş carrier-collection region istifadəsi fotonun yaratdığı daşıyıcının avalanche bölgəsinə çatmaq üçün daha uzun yol qət etməsinə səbəb ola bilər. Daşıyıcıların fərqli məsafələrdən gəlməsi zaman paylanmasını genişləndirərək timing jitter-ı artıra bilər.

Bu tədqiqatın əsas dizayn ideyası nədir?

Tədqiqatçılar NIR həssaslığı üçün lazım olan silikon həcmini qoruyarkən daşıyıcıların avalanche bölgəsinə mümkün qədər qısa və idarə olunan yollardan çatmasını hədəfləyirlər.

Bunun üçün üç əsas dizayn qərarı tətbiq olunur:

• Epitaksial silikon qalınlığı 4 µm seçilir.
• Carrier-collection region, deep n-well (DNW) izolyasiyası ilə yan istiqamətdə məhdudlaşdırılır.
• Guard-ring həndəsəsi elektrik sahəsini və cərəyan yolunu optimallaşdıracaq şəkildə yenidən layihələndirilir.

Aktiv keçid P+/N-well quruluşundadır və diametri təxminən 2,5 µm-dir. Nisbətən yüksək qatqılama səviyyəsi güclü elektrik sahəsi yaradaraq aşağı breakdown gərginliyinə və sürətli avalanche tetiklənməsinə töhfə verir.

Üç fərqli guard-ring strukturu necə layihələndirildi?

Şəkil 2-də eyni əsas P+/N-well keçidindən və eyni piksel quruluşundan istifadə edən üç SPAD göstərilir. Fərq yalnız guard-ring tətbiqindədir.

Virtual guard ring retrograde DNW qatqılama profili səbəbindən P+ anodun ətrafında qalan zəif qatqılanmış P-epitaksial bölgədən formalaşır. Tədqiqatçılar bununla ayrıca dərin fiziki P-well yaratmadan junction kənarındakı elektrik sahəsini idarə edirlər.

Guard ring niyə lazımdır?

SPAD-ın aktiv mərkəzində bərabər avalanche yaranması arzu olunur. Junction kənarında elektrik sahəsi həddən artıq yüksələrsə premature edge breakdown (PEB) baş verə bilər. Bu halda avalanche nəzərdə tutulan mərkəzi sahə əvəzinə kənarlarda başlaya, səs-küy və performans dəyişkənliyi arta bilər.

Guard ring junction kənarındakı elektrik sahəsi profilini tənzimləyir. Lakin həddən artıq güclü və ya çox dərin guard ring də fotonla yaradılmış daşıyıcıların avalanche bölgəsinə çatmadan rekombinasiya etməsinə və ya daha uzun cərəyan yolu izləməsinə səbəb ola bilər. Tədqiqatın dizayn problemi bu iki təsir arasında tarazlıq yaratmaqdır.

Niyə virtual guard ring ən yaxşı nəticəni verdi?

Şəkil 3-də üç guard-ring dizaynı eyni şərtlərdə elektrik və optik baxımdan müqayisə olunur. VG strukturu ən yüksək saturation current dəyərini və çıxış impulsunun ən sürətli rising edge-ini göstərir.

Tədqiqatçılar bunu anod ilə katod arasındakı daha qısa cərəyan yolunun ardıcıl müqaviməti azaltması ilə əlaqələndirirlər. Daha sürətli elektrik çıxış keçidi avalanche başlanğıc vaxtındakı elektron qeyri-müəyyənliyin azalmasına töhfə verir.

VG həmçinin fotonla yaradılmış daha çox daşıyıcının guard-ring bölgəsində itmək əvəzinə avalanche multiplication region-a çatmasına imkan verir. Nəticədə PDP də PW1 və PW2-dən daha yüksək olur.

Bunun əvəzində VG strukturunun dark count rate-i digər iki dizayndan daha yüksəkdir. Buna görə nəticə “VG hər metrikdə ən aşağıdır” deyil. Tədqiqatçıların seçim səbəbi PDP ilə timing jitter arasında daha əlverişli tarazlıqdır.

Elektrik sahəsi həqiqətən nəzərdə tutulan bölgədə yaranır?

Bunun doğrulanması yalnız elektrik I–V ölçmələrinə buraxılmır. Tədqiqat üç fərqli üsuldan istifadə edir:

1. TCAD: elektrik sahəsinin paylanması ədədi olaraq hesablanır.
2. LET: avalanche zamanı yaranan işıq emissiyası görüntülənir.
3. LSM: 940 nm lazer submikron nöqtəyə fokuslanaraq qurğunun səthi boyunca skan edilir və hər mövqedə aşkarlama hadisələrinin sayı hesablanır.

Şəkil 4(a)-dakı TCAD nəticəsi 5 V excess bias altında güclü elektrik sahəsinin nəzərdə tutulan avalanche multiplication region daxilində cəmləşdiyini göstərir. Kənarda nəzarətsiz breakdown bölgəsinin görünməməsi guard-ring-in PEB-ni basdırdığı şərhini dəstəkləyir.

Light emission test nə göstərdi?

Avalanche zamanı daşıyıcı rekombinasiyası zəif işıq emissiyasına səbəb ola bilər. LET görüntülərində excess bias 1 V-dan 5 V-a artırıldıqda mərkəzdəki dairəvi emissiya daha güclü olur.

Emissiyanın aydın şəkildə mərkəzdə və təxminən dairəvi olması avalanche-ın junction ətrafındakı arzuolunmaz kənarlarda deyil, nəzərdə tutulan aktiv bölgədə yarandığına dair eksperimental dəstək verir.

Lazer skanı aktiv bölgəni necə doğruladı?

LSM təcrübəsində 940 nm lazer şüası submikron nöqtəyə fokuslanaraq SPAD boyunca raster formasında skan edilir. Hər mövqedə yaradılan photon detection hadisələrinin sayı hesablanır.

Əldə edilən aşkarlama bölgəsinin FWHM eni təxminən 2,5 µm-dir. Bu dəyər nəzərdə tutulan P+/N-well junction-ın 2,5 µm diametri ilə yaxından uyğunlaşır. Beləliklə, TCAD, LET və LSM üç fərqli üsulla eyni fiziki nəticəyə işarə edir: avalanche aktivliyi nəzərdə tutulan kiçik bölgədə yaxşı məhdudlaşdırılıb.

Dark count rate nədir?

SPAD-a foton gəlmədiyi halda avalanche impulsunun yaranmasına dark count deyilir. Saniyədə belə yanlış hadisələrin sayı dark count rate (DCR) kimi ifadə olunur.

VG qurğusunda otaq temperaturunda DCR, excess bias aşağı olduqda bir neçə counts/s səviyyəsindən aşağı qalır, gərginlik artdıqca isə yüksəlir. 5 V excess bias altında təxminən 2,7 kcps ölçülür.

Tədqiqatın nəticə bölməsində eyni dəyər aktiv sahəyə normallaşdırılaraq təxminən 550 cps/µm² verilir.

Afterpulsing tapıldımı?

Afterpulsing real avalanche-dan sonra silikon qüsurlarında tutulmuş daşıyıcıların gecikmiş şəkildə sərbəst buraxılması nəticəsində saxta ikinci avalanche yaranmasıdır. Həssas photon-timing tətbiqlərində bu hadisə ölçmə nəticələrini poza bilər.

Tədqiqatçılar 5 V excess bias altında inter-avalanche time histogramı ölçürlər. Şəkil 5(b)-də istifadə olunan şərtlərdə nəzərəçarpan afterpulsing artığı görünmür və iş afterpulsing ehtimalını nəzərə alınmayacaq səviyyədə qiymətləndirir. Qrafikdə dead time təxminən 0,6 µs səviyyəsində göstərilir.

Temperatur qurğuya necə təsir edir?

SPAD −30 °C ilə 90 °C arasında 15 °C intervallarla sınaqdan keçirilmişdir. Breakdown voltage temperaturla təxminən xətti şəkildə artır və əmsal təxminən:

\[ 13\;\mathrm{mV/K} \]

ölçülür.

Otaq temperaturundan 90 °C-yə qədər ümumi breakdown gərginliyi dəyişməsi 1 V-dan aşağı qalır. Bunun əvəzində termal daşıyıcı yaranması artdığı üçün DCR temperaturla ciddi yüksəlir və 90 °C-də, 5 V excess bias şəraitində təxminən 34 kcps səviyyəsinə çatır.

Səs-küy mexanizmi temperaturla dəyişirmi?

Arrhenius qrafiki iki fərqli aktivləşmə enerjisi bölgəsi göstərir:

• Aşağı temperatur bölgəsində təxminən 0,27 eV.
• Yüksək temperatur bölgəsində təxminən 0,47 eV.

Tədqiqatçıların şərhinə görə otaq temperaturunun altında trap-assisted tunneling əsas səs-küy mexanizmidir. Otaq temperaturunun üzərində isə trap-assisted thermal generation, yəni Shockley–Read–Hall yaranması daha nəzərəçarpan olur.

PDP dəqiq olaraq nəyi ölçür?

Photon Detection Probability (PDP), SPAD üzərinə düşən bir fotonun ölçülə bilən avalanche hadisəsini tetikləmə ehtimalıdır. Fotonun silikonda udulması təkbaşına kifayət deyil; yaranmış daşıyıcı avalanche multiplication region-a çatmalı və avalanche tetikləməlidir.

Buna görə PDP aşağıdakı proseslərin birgə nəticəsidir:

• fotonun udulması,
• daşıyıcı yaranması,
• daşıyıcının aktiv bölgəyə çatması,
• avalanche başlatma ehtimalı.

PDP necə ölçüldü?

Şəkil 6(a)-dakı təcrübə qurğusunda geniş spektrli halogen lampa istifadə olunur. İşıq əvvəlcə monochromator-dan keçirilərək istənilən dalğa uzunluğu seçilir. Long-pass filtr arzuolunmaz harmonikləri basdırır.

Daha sonra integrating sphere işığı həm sınaqdan keçirilən SPAD-a, həm də istinad fotodioduna paylayır. İstinad fotodiodu optik gücölçənə bağlı olduğuna görə SPAD üzərinə çatan foton axını kalibrlənə bilir. SPAD-ın yaratdığı elektrik impulsları osiloskopda sayılır və daxil olan foton sayı ilə müqayisə edilərək PDP hesablanır.

Spektral həssaslıq necə dəyişir?

PDP təxminən 450–950 nm arasında ölçülmüşdür. Ən yüksək dəyər təxminən 650 nm ətrafında əldə edilir. 5 V excess bias altında pik PDP %39,4-dür.

940 nm-də silikonun udulma davranışı fərqli olduğundan dəyər daha aşağıdır, lakin LiDAR üçün mühüm olan bu dalğa uzunluğunda 5 V excess bias altında PDP %21-dir.

Excess bias artdıqca junction elektrik sahəsi güclənir və yaranan daşıyıcının avalanche tetikləmə ehtimalı yüksəlir. Buna görə PDP 1 V-dakı %4,2-dən 5 V-dakı %21-ə artır.

Lakin yüksək excess bias yalnız üstünlük yaratmır. Eyni gərginlik artımı DCR-ni də yüksəltdiyi üçün tətbiq dizaynında PDP, timing jitter, səs-küy və enerji tələbi birlikdə optimallaşdırılmalıdır.

Timing jitter necə ölçüldü?

Şəkil 7(a)-da 940 nm pikosaniyəlik impulslu lazer istifadə olunur. Neutral-density filtr optik gücü azaldaraq pile-up təhrifini önləyir. Filtrdən əks olunan arzuolunmaz işıq beam dump tərəfindən udulur.

SPAD çıxışı TCSPC xüsusiyyətinə malik osiloskopa qoşulur. Beləliklə, lazer tetikləmə anı ilə SPAD-ın avalanche impulsu arasındakı zaman minlərlə hadisə üçün ölçülərək photon-arrival-time histogramı yaradılır.

Gərginlik artdıqda timing jitter necə dəyişdi?

Excess bias 1 V-dan 5 V-a artırıldıqda:

Yüksək elektrik sahəsi fotonla yaradılan daşıyıcıları daha sürətli sürüklədiyi üçün daşınma müddətinin paylanması daralır. Həmçinin avalanche-ın yaranma vaxtındakı statistik qeyri-müəyyənlik də azalır.

46 ps nəticəsi niyə tədqiqatın mərkəzindədir?

Şəkil 8-də tədqiqatçılar öz qurğularını əvvəllər yayımlanmış BI-SPAD nəticələri ilə müqayisə edirlər. Müqayisədəki əvvəlki qurğuların 940 nm timing jitter dəyərləri təxminən 100–205 ps aralığında olduğu halda, təklif olunan struktur 46 ps FWHM dəyərinə çatır.

Üstəlik breakdown gərginliyi 15 V səviyyəsində saxlanılır və 940 nm PDP %21 olaraq qorunur. Buna görə tədqiqatın əsas yenilik iddiası yalnız “ən aşağı jitter” deyil; aşağı timing jitter + istifadə edilə bilən NIR PDP + nisbətən aşağı breakdown gərginliyinin eyni kompakt quruluşda birləşdirilməsidir.

PDP ilə PDE eyni şeydirmi?

Tam olaraq deyil. PDP tək SPAD-ın daxil olan hər fotona görə avalanche yaratma ehtimalını ifadə edir. Sensor massivindəki photon detection efficiency (PDE) isə həndəsi fill factor kimi əlavə amillərdən təsirlənə bilər.

Tədqiqatçılar bu işdəki qurğunun tək piksel test strukturu olduğunu xüsusi qeyd edirlər. Gələcəkdə mikrolinza ilə effektiv fill factor təxminən %100-ə yaxınlaşdırıla bilsə, ölçülən PDP-nin sistemdəki PDE-ni daha yaxın təmsil edə biləcəyini müzakirə edirlər. Lakin bu tədqiqatda belə tam mikrolinzalı SPAD massivi göstərilməmişdir.

Tədqiqatın dəstəklədiyi nəticələr

• 40 nm CIS prosesində fiziki olaraq istehsal edilmiş arxadan işıqlandırılan SPAD 940 nm-də 46 ps FWHM timing jitter göstərmişdir.
• Eyni 5 V excess bias şərtində 940 nm PDP %21-dir.
• Breakdown gərginliyi təxminən 15 V-dur.
• 650 nm-də peak PDP %39,4-ə çatmışdır.
• VG guard-ring dizaynı sınaqdan keçirilən üç struktur arasında PDP ilə timing jitter baxımından ən əlverişli tarazlığı göstərmişdir.
• TCAD, LET və LSM nəticələri avalanche bölgəsinin aktiv junction daxilində məhdudlaşdırıldığını bir-birini tamamlayan üsullarla dəstəkləmişdir.
• Qurğu −30 °C ilə 90 °C arasında xarakterizə edilmiş və temperatura bağlı breakdown və DCR davranışı ölçülmüşdür.
• Ölçmə şərtlərində afterpulsing nəzərə alınmayacaq səviyyədə müəyyən edilmişdir.

Tədqiqatın dəstəkləmədiyi nəticələr

• Tədqiqat tamamlanmış LiDAR sistemi göstərmir.
• Avtomobil səviyyəsində uzun məsafə performansı ölçülməyib.
• SPAD kamera massivinin görüntü ayırdetməsi və ya kadr tezliyi sınaqdan keçirilməyib.
• 46 ps dəyərindən bütün LiDAR sisteminin birbaşa 6,9 mm mütləq məsafə dəqiqliyinə malik olduğu nəticəsi çıxarıla bilməz; lazer, TDC, elektronika və siqnal emalı da sistem xətasına töhfə verir.
• Tədqiqat sistem səviyyəsində ümumi enerji sərfini ölçmür.
• VG daha yüksək DCR yaratdığı üçün bütün SPAD tətbiqlərində avtomatik olaraq ən yaxşı guard-ring həlli sayıla bilməz.
• %21 PDP, fill-factor daxil olmaqla %21 sistem PDE dəyəri demək deyil.
• Smartfon, AR/VR/XR və ya mobil LiDAR inteqrasiyası işdə məhsul səviyyəsində həyata keçirilməmişdir.

Tədqiqatın Metodu və Nəticələri

İstehsal texnologiyası və əsas həndəsə

Guard-ring müqayisəsinin eksperimental nəticəsi

Bu nəticə dizaynda klassik performans kompromisini göstərir. Guard-ring sərhəd təsiri gücləndikcə səs-küy azaldıla bilər, lakin faydalı foto-daşıyıcıların bir hissəsi də avalanche bölgəsindən uzaqlaşdırıla bilər. VG bu sərhəd təsirini azaldaraq PDP və timing jitter-ı yaxşılaşdırdığı halda DCR-də artıma səbəb olmuşdur.

TCAD, LET və LSM doğrulaması

Elektrik səs-küyü və temperatur xarakterizasiyası

Optik aşkarlama nəticələri

Zamanlama performansı

Timing jitter-dakı azalma artan excess bias ilə elektrik sahəsinin güclənməsi nəticəsində daşıyıcı drift sürətinin yüksəlməsi və avalanche tetikləmə vaxtındakı paylanmanın daralması ilə izah olunur.

Şəkil 8-dəki state-of-the-art müqayisəsi necə oxunmalıdır?

Tədqiqatçılar təklif etdikləri SPAD-ı əvvəllər yayımlanmış BI-SPAD strukturları ilə üç əsas ox üzrə müqayisə edirlər: breakdown voltage, 940 nm timing jitter və 940 nm PDP.

Təklif olunan qurğunun kombinasiyası:

• 40 nm texnologiya,
• 4 µm epitaksial qalınlıq,
• izolyasiya olunmuş carrier-collection region,
• 15 V breakdown,
• %21 PDP @ 940 nm,
• 46 ps jitter @ 940 nm

kimi verilir.

Şəkil 8-dəki əvvəlki işlərin ölçmə şərtləri tamamilə eyni deyil və cədvəlin bəzi xanalarında fərqli temperatur, APDE/microlens və ya fərqli dalğa uzunluğuna dair qeydlər var. Buna görə müqayisədən çıxarıla bilən ən təhlükəsiz nəticə işin öz ölçmə şərtlərində çox aşağı 940 nm timing jitter əldə etməsi və bununla yanaşı NIR PDP-ni istifadə edilə bilən səviyyədə saxlamasıdır.

Tədqiqatın eksperimental güclü tərəfləri

• Eyni junction həndəsəsində üç guard-ring dizaynı birbaşa müqayisə edilmişdir.
• Struktur izahı yalnız simulyasiyaya əsaslandırılmayıb; TCAD, LET və LSM birlikdə istifadə olunub.
• PDP tək dalğa uzunluğunda deyil, geniş spektral aralıqda ölçülüb.
• 940 nm üçün xüsusi LiDAR zamanlama xarakterizasiyası aparılıb.
• DCR temperatura bağlı olaraq −30-dan 90 °C-yə qədər ölçülüb.
• Afterpulsing ayrıca araşdırılıb.
• FWHM ilə yanaşı paylanmanın quyruğunu daha yaxşı təsvir edən FWTM də verilib.
• Nəticələr əvvəlki BI-SPAD ədəbiyyatı ilə kəmiyyətcə müqayisə edilib.

Tədqiqatın əsas məhdudiyyətləri

• Sınaqdan keçirilən struktur tək piksellik xarakterizasiya qurğusudur.
• Yüksək ayırdetməli SPAD massivi bu işdə göstərilməyib.
• TDC, quenching və rəqəmsal emal dövrələri ilə inteqrasiya olunmuş son LiDAR sensoru qiymətləndirilməyib.
• Real açıq mühit hədəflərində məsafə və dərinlik dəqiqliyi sınağı aparılmayıb.
• Enerji sərfi üçün sistem səviyyəsində watt və ya enerji/foton/ölçmə müqayisəsi təqdim edilməyib.
• Mikrolinzalı real massiv fill factor-u eksperimental olaraq göstərilməyib.
• VG-nin DCR dəyəri digər guard-ring dizaynlarından daha yüksəkdir.
• Uzunmüddətli yaşlanma və qurğu ömrü tədqiqatın əsas xarakterizasiya sahəsinə daxil deyil.

Mənbə və Metod Qeydi

Tam orijinal işin adı:Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR.

Müəlliflər, mənbədəki sıra ilə: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.

Məsul müəllif: Myung-Jae Lee.

Bərabər birinci müəllif/bərabər töhfə: Mənbədə bərabər birinci müəlliflik və ya bərabər töhfə bəyanatı yoxdur.

Qurumlar: Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, South Korea; TruPixel, Inc., Daejeon 34138, South Korea.

Mənbə növü və resenziya statusu: Resenziyalı orijinal tədqiqat məqaləsidir.

Jurnal:APL Photonics.

Nəşriyyat: AIP Publishing.

Nəşr kimliyi: APL Photonics 11, 016104 (2026).

DOI: 10.1063/5.0301124.

Nəşr prosesi: Göndərilmə 6 sentyabr 2025; qəbul 22 dekabr 2025; onlayn nəşr 16 yanvar 2026.

Xüsusi kolleksiya:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.

Rəsmi keçid:https://doi.org/10.1063/5.0301124.

Lisenziya: Məqalə, ayrıca göstərilən materiallar istisna olmaqla, Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) lisenziyası altında yayımlanmışdır.

Maliyyələşdirmə: İş Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), Ministry of Science and ICT tərəfindən maliyyələşdirilən IITP dəstəyi RS-2025-02218723, COMPA dəstəyi RS-2024-00393983 və Ministry of SMEs and Startups tərəfindən maliyyələşdirilən Technology Development Program dəstəyi 00507002 çərçivəsində dəstəklənmişdir.

Təşəkkür: Müəlliflər SK hynix əməkdaşlarına, xüsusilə Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo və Hoon-Sang Oh-a dəstəklərinə görə təşəkkür edirlər.

Maraqlar toqquşması: Müəlliflər açıqlanmalı maraqlar toqquşması olmadığını bildirmişlər.

Məlumatların əlçatanlığı: İşin nəticələrini dəstəkləyən məlumatların əsaslandırılmış sorğu əsasında məsul müəllifdən əldə edilə biləcəyi qeyd olunur.

Müəllif töhfələri: Eunsung Park konseptuallaşdırma, məlumatların təşkili, formal analiz, araşdırma, doğrulama və vizuallaşdırmada aparıcı; metodologiyada bərabər töhfəli və ilkin layihədə aparıcıdır. Doyoon Eom formal analizdə dəstəkləyici və metodologiyada bərabər töhfəlidir. Joo-Hyun Kim araşdırma və doğrulamada dəstəkləyici töhfə vermişdir. Woo-Young Choi nəzarət və mətnin nəzərdən keçirilməsində dəstəkləyici rol daşımışdır. Myung-Jae Lee maliyyələşdirmənin əldə edilməsi, layihə idarəçiliyi, nəzarət və mətnin nəzərdən keçirilməsində aparıcı kimi bəyan edilmişdir.

Əvvəlki işlə əlaqə: Müəlliflər qurğunun ilkin nəticələrinin daha əvvəl 2024 IEEE International Electron Devices Meeting-də “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications” başlığı ilə təqdim edildiyini bildirirlər. Bu APL Photonics məqaləsi daha əhatəli qurğu və ölçmə xarakterizasiyası təqdim edir.

Əsas elmi sərhəd: İş real, fiziki olaraq istehsal edilmiş BI-SPAD-ı geniş şəkildə xarakterizə edir; lakin tam LiDAR sistemi və ya SPAD görüntüləmə massivi həyata keçirmir. Buna görə 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown və DCR dəyərləri tək detektorun qurğu səviyyəli performansıdır. Sistem məsafəsi, real 3B görüntü keyfiyyəti, ümumi enerji sərfi və ya məhsul səviyyəsində AR/VR/XR performansı bu işdən birbaşa çıxarıla bilməz.

Elmi məzmun mənbəyi: Bu Verianla məqaləsindəki qurğu strukturu, təcrübə qurğuları, ədədi dəyərlər, şəkil izahları, nəticələr və məhdudiyyətlər yalnız araşdırılan tədqiqata əsaslanır. Biblioqrafik kimlik AIP Publishing-in rəsmi nəşr qeydi ilə də doğrulanmışdır.