Bu araştırma, LiDAR ve zaman-uçuşlu derinlik algılama sistemlerinde tek tek fotonların geliş zamanını çok yüksek hassasiyetle belirlemek amacıyla geliştirilmiş arka aydınlatmalı tek-foton çığ diyodunu (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD) inceliyor. Araştırmacılar 40 nm CMOS görüntü sensörü (CIS) teknolojisinde ürettikleri SPAD'ın epitaksiyel silikon kalınlığını, taşıyıcı toplama bölgesini ve guard-ring geometrisini özellikle zamanlama belirsizliğini azaltacak şekilde tasarlıyor. En iyi yapı, klasik fiziksel P-well guard-ring yerine hafif katkılanmış epitaksiyel bölgenin işlev gördüğü virtual guard ring (VG) tasarımıdır.

Optimize edilen cihaz, LiDAR sistemlerinde yaygın kullanılan 940 nm yakın kızılötesi dalga boyunda, 5 V excess bias altında 46 ps FWHM timing jitter ve %21 foton algılama olasılığı (PDP) sağlıyor. Aynı cihazın breakdown gerilimi yaklaşık 15 V. PDP, spektrumun yaklaşık 650 nm bölgesinde %39,4'e ulaşıyor. Oda sıcaklığında 5 V excess bias altında toplam dark count rate yaklaşık 2,7 kcps; normalize edilmiş sonuç yaklaşık 550 cps/µm². Afterpulsing ise kullanılan ölçüm koşullarında ihmal edilebilir düzeyde bulunuyor.

46 ps zamanlama belirsizliği LiDAR açısından özellikle önemlidir. Çalışmada verilen yaklaşık 0,15 mm/ps zaman-uçuşu dönüşümü kullanıldığında bu değer yaklaşık 6,9 mm derinlik belirsizliği ölçeğine karşılık gelir. Araştırmacıların literatür karşılaştırmasındaki önceki arka aydınlatmalı SPAD örneklerinin 940 nm zamanlama jitter değerleri 100 ps ve üzerinde kalırken bu çalışmadaki cihaz 46 ps seviyesine inmektedir. Bununla birlikte bu karşılaştırma farklı teknoloji düğümleri, piksel yapıları ve bazı farklı ölçüm koşullarındaki yayınları içermektedir; dolayısıyla yalnız tek performans metriğinden genel bir cihaz üstünlüğü çıkarılmamalıdır.

Cihaz −30 °C ile 90 °C arasındaki sıcaklıklarda ayrıca karakterize edilmiştir. Breakdown geriliminin sıcaklık katsayısı yaklaşık 13 mV/K olarak ölçülürken 90 °C'de dark count rate yaklaşık 34 kcps seviyesine yükselmiştir. Arrhenius analizi düşük sıcaklıklarda yaklaşık 0,27 eV, yüksek sıcaklıklarda yaklaşık 0,47 eV aktivasyon enerjisi ortaya çıkarmış; araştırmacılar bunu sırasıyla trap-assisted tunneling ve yüksek sıcaklıklarda daha belirgin hâle gelen Shockley–Read–Hall termal üretim mekanizmalarıyla ilişkilendirmiştir.

Türkiye açısından çalışma, yerli LiDAR, robotik algılama, otonom sistemler, endüstriyel 3B görüş, artırılmış/sanal gerçeklik ve fotonik sensör araştırmaları için önemli bir aygıt fiziği örneğidir. Ancak çalışmadaki SPAD'ın Türkiye'deki veya başka bir ülkedeki mevcut LiDAR ürünlerine doğrudan takılabilecek hazır bir sensör olduğu sonucu çıkarılamaz. Tam bir uygulama için SPAD dizisinin piksel mimarisi, quenching devresi, zaman-dijital dönüştürücü, optik sistem, mikrolens, ortam ışığı bastırma, sinyal işleme, güç tüketimi ve gerçek hedeflerle menzil doğrulamasının ayrıca yapılması gerekir.

Tek-foton çığ diyodu nedir?

SPAD, ters yönde breakdown geriliminin üzerinde çalıştırılan özel bir PN birleşimidir. Bu çalışma rejimine Geiger modu denir. Tek bir foton silikon içinde elektron–delik çifti oluşturduğunda, yeterince güçlü elektrik alan bu taşıyıcıyı hızlandırarak çığ çoğalmasını başlatabilir. Böylece tek bir foton elektronik olarak kolayca algılanabilen büyük bir akım darbesine dönüştürülebilir.

Çığ başladıktan sonra özel bir quenching devresi akımı durdurur ve SPAD yeniden algılamaya hazırlanır. Bu nedenle SPAD'ın temel avantajı, son derece zayıf optik sinyalleri doğrudan dijital darbelere dönüştürebilmesidir.

LiDAR için neden yalnız fotonu algılamak yeterli değildir?

Time-of-flight LiDAR'da hedefe kısa bir ışık darbesi gönderilir ve geri dönen fotonun geliş zamanı ölçülür. Işığın gidiş-dönüş süresinden hedef uzaklığı hesaplandığı için fotonun geliş zamanındaki belirsizlik doğrudan mesafe belirsizliğine dönüşür.

SPAD'ın aynı optik olayları ölçerken ürettiği zaman dağılımının genişliğine timing jitter denir. Çalışmada performans özellikle FWHM — dağılımın yarı maksimumdaki tam genişliği — ve FWTM — onda bir maksimumdaki tam genişliği — ile değerlendiriliyor.

Kaynağa göre yaklaşık her 1 ps jitter LiDAR mesafesinde yaklaşık 0,15 mm belirsizlik ölçeğine karşılık gelir. Bu nedenle 100 ps seviyesindeki bir dedektör yaklaşık 15 mm ölçeğinde belirsizlik üretirken, araştırmacıların 46 ps sonucu yaklaşık 6,9 mm ölçeğine karşılık gelmektedir.

Arka aydınlatmalı SPAD neden kullanılıyor?

Front-illuminated SPAD'da ışık, metal bağlantıların ve çeşitli dielektrik katmanların bulunduğu ön taraftan girer. Bu katmanlar gelen ışığın bir bölümünü yansıtabilir veya soğurabilir. Ayrıca 940 nm gibi yakın kızılötesi fotonlar silikonun daha derin bölgelerinde soğurulma eğilimindedir.

Back-illuminated yapıda ışık silikonun arka yüzünden gönderilir. Böylece ön taraftaki metal bağlantı ve devre katmanları foton yolunu engellemez ve avalanche multiplication region (AMR) daha uygun derinlikte konumlandırılabilir.

Ancak bunun bir bedeli vardır. Önceki BI-SPAD tasarımlarında NIR verimliliğini yükseltmek için daha kalın epitaksiyel silikon ve geniş carrier-collection region kullanılması, fotonla oluşturulan taşıyıcının avalanche bölgesine ulaşması için daha uzun yol kat etmesine neden olabilir. Taşıyıcıların farklı mesafelerden gelmesi zaman dağılımını genişleterek timing jitter'ı artırır.

Bu araştırmanın ana tasarım fikri nedir?

Araştırmacılar NIR duyarlılığı için gereken silikon hacmini korurken taşıyıcıların avalanche bölgesine doğru mümkün olduğunca kısa ve kontrollü yollardan ulaşmasını hedefliyor.

Bunun için üç temel tasarım kararı uygulanıyor:

• Epitaksiyel silikon kalınlığı 4 µm olarak seçiliyor.
• Carrier-collection region, deep n-well (DNW) izolasyonuyla yanal olarak sınırlandırılıyor.
• Guard-ring geometrisi elektrik alanı ve akım yolunu optimize edecek şekilde yeniden tasarlanıyor.

Aktif birleşim P+/N-well yapısında ve çapı yaklaşık 2,5 µm. Görece yüksek katkılama düzeyi güçlü elektrik alan oluşturarak düşük breakdown gerilimine ve hızlı avalanche tetiklenmesine katkı sağlıyor.

Üç farklı guard-ring yapısı nasıl tasarlandı?

Şekil 2'de aynı temel P+/N-well birleşimini ve aynı piksel yapısını kullanan üç SPAD gösteriliyor. Fark yalnız guard-ring uygulamasıdır.

Virtual guard ring, retrograde DNW katkılama profili nedeniyle P+ anot çevresinde kalan hafif katkılanmış P-epitaksiyel bölgeden oluşmaktadır. Araştırmacılar böylece ayrıca derin bir fiziksel P-well oluşturmadan junction kenarındaki elektrik alanını kontrol etmektedir.

Guard ring neden gereklidir?

SPAD'ın aktif merkezinde düzgün avalanche oluşması istenir. Junction'ın kenarında elektrik alan aşırı yükselirse premature edge breakdown (PEB) oluşabilir. Böyle bir durumda avalanche istenen merkez alan yerine kenarlarda başlayabilir ve gürültü ile performans değişkenliği artabilir.

Guard ring junction kenarındaki elektrik alan profilini düzenler. Fakat çok güçlü veya çok derin bir guard ring de fotonla üretilmiş taşıyıcıların avalanche bölgesine ulaşmadan yeniden birleşmesine veya daha uzun bir akım yolu izlemesine neden olabilir. Çalışmanın tasarım problemi bu iki etkinin dengelenmesidir.

Neden virtual guard ring en iyi sonucu verdi?

Şekil 3'te üç guard-ring tasarımı aynı koşullarda elektriksel ve optik olarak karşılaştırılıyor. VG yapısı en yüksek saturation current değerini ve çıkış darbesinin en hızlı rising edge'ini göstermektedir.

Araştırmacılar bunu anot ile katot arasındaki daha kısa akım yolunun seri direnci azaltmasına bağlıyor. Daha hızlı elektriksel çıkış geçişi, avalanche başlangıç zamanındaki elektronik belirsizliğin azaltılmasına katkı sağlıyor.

VG ayrıca fotonla üretilmiş daha fazla taşıyıcının guard-ring bölgesinde kaybolmak yerine avalanche multiplication region'a ulaşmasını sağlıyor. Bunun sonucu olarak PDP de PW1 ve PW2'den daha yüksek çıkıyor.

Karşılığında VG yapısının dark count rate'i diğer iki tasarıma göre daha yüksek. Dolayısıyla sonuç “VG her metrikte en düşüktür” değildir. Araştırmacıların tercih nedeni, PDP ile timing jitter arasındaki daha avantajlı dengedir.

Elektrik alan gerçekten tasarlanan bölgede mi oluşuyor?

Bunun doğrulanması yalnız elektrik I–V ölçümlerine bırakılmıyor. Çalışma üç farklı yöntem kullanıyor:

1. TCAD: elektrik alan dağılımı sayısal olarak hesaplanıyor.
2. LET: avalanche sırasında oluşan ışık emisyonu görüntüleniyor.
3. LSM: 940 nm lazer mikron-altı noktaya odaklanarak cihaz yüzeyinde taranıyor ve her konumda algılama olayı sayılıyor.

Şekil 4(a)'daki TCAD sonucu, 5 V excess bias altında güçlü elektrik alanın tasarlanan avalanche multiplication region içinde yoğunlaştığını gösteriyor. Kenarda kontrolsüz breakdown bölgesi görülmemesi guard-ring'in PEB'yi bastırdığı yorumunu destekliyor.

Light emission test ne gösterdi?

Avalanche sırasında taşıyıcı rekombinasyonu zayıf ışık emisyonuna neden olabilir. LET görüntülerinde excess bias 1 V'tan 5 V'a çıkarıldığında merkezdeki dairesel emisyon daha güçlü hâle geliyor.

Emisyonun belirgin şekilde merkezde ve yaklaşık dairesel olması, avalanche'ın junction çevresindeki istenmeyen kenarlarda değil tasarlanan aktif bölgede oluştuğuna ilişkin deneysel destek sağlıyor.

Lazer taraması aktif bölgeyi nasıl doğruladı?

LSM deneyinde 940 nm lazer ışını mikron-altı bir noktaya odaklanarak SPAD boyunca raster biçiminde taranıyor. Her konumda üretilen photon detection olayları sayılıyor.

Elde edilen algılama bölgesinin FWHM genişliği yaklaşık 2,5 µm. Bu değer tasarlanan P+/N-well junction'ın 2,5 µm çapıyla yakından uyuşuyor. Böylece TCAD, LET ve LSM üç farklı yöntemle aynı fiziksel sonuca işaret ediyor: avalanche aktivitesi tasarlanan küçük bölgede iyi biçimde sınırlandırılmış.

Dark count rate nedir?

SPAD'a foton gelmediği hâlde avalanche darbesi oluşmasına dark count denir. Saniyedeki bu yanlış olay sayısı dark count rate (DCR) olarak ifade edilir.

VG cihazında oda sıcaklığında DCR, excess bias düşükken birkaç counts/s seviyesinin altında kalırken gerilim yükseldikçe artıyor. 5 V excess bias altında yaklaşık 2,7 kcps ölçülüyor.

Çalışmanın sonuç bölümünde aynı değer aktif alanla normalize edilerek yaklaşık 550 cps/µm² olarak veriliyor.

Afterpulsing bulundu mu?

Afterpulsing, gerçek bir avalanche'ın ardından silikon kusurlarında yakalanmış taşıyıcıların gecikmeli olarak serbest bırakılması sonucu sahte ikinci bir avalanche oluşmasıdır. Hassas photon-timing uygulamalarında bu olay ölçüm sonuçlarını bozabilir.

Araştırmacılar 5 V excess bias altında inter-avalanche time histogramı ölçüyor. Şekil 5(b)'de kullanılan koşullarda belirgin bir afterpulsing fazlalığı görülmüyor ve çalışma afterpulsing olasılığını ihmal edilebilir olarak değerlendiriyor. Grafikte dead time yaklaşık 0,6 µs düzeyinde gösteriliyor.

Sıcaklık cihazı nasıl etkiliyor?

SPAD −30 °C ile 90 °C arasında 15 °C aralıklarla test edilmiştir. Breakdown voltage sıcaklıkla yaklaşık doğrusal biçimde yükseliyor ve katsayı yaklaşık:

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

olarak ölçülüyor.

Oda sıcaklığından 90 °C'ye kadar toplam breakdown gerilimi değişimi 1 V'un altında kalıyor. Buna karşılık termal taşıyıcı üretimi yükseldiğinden DCR sıcaklıkla ciddi biçimde artıyor ve 90 °C'de, 5 V excess bias koşulunda yaklaşık 34 kcps seviyesine ulaşıyor.

Gürültü mekanizması sıcaklıkla değişiyor mu?

Arrhenius grafiği iki farklı aktivasyon enerjisi bölgesi gösteriyor:

• Düşük sıcaklık bölgesinde yaklaşık 0,27 eV.
• Yüksek sıcaklık bölgesinde yaklaşık 0,47 eV.

Araştırmacıların yorumuna göre oda sıcaklığının altında trap-assisted tunneling baskın gürültü mekanizmasıdır. Oda sıcaklığının üzerinde ise trap-assisted thermal generation, yani Shockley–Read–Hall üretimi daha belirgin hâle gelir.

PDP tam olarak neyi ölçüyor?

Photon Detection Probability (PDP), SPAD üzerine gelen bir fotonun ölçülebilir avalanche olayını tetikleme olasılığıdır. Fotonun silikonda soğurulması tek başına yeterli değildir; oluşturulan taşıyıcının avalanche multiplication region'a ulaşması ve avalanche tetiklemesi gerekir.

Bu nedenle PDP şu süreçlerin ortak sonucudur:

• foton soğurulması,
• taşıyıcı üretimi,
• taşıyıcının aktif bölgeye ulaşması,
• avalanche başlatma olasılığı.

PDP nasıl ölçüldü?

Şekil 6(a)'daki deney düzeneğinde geniş spektrumlu halojen lamba kullanılıyor. Işık önce monochromator'dan geçirilerek istenen dalga boyu seçiliyor. Long-pass filtre istenmeyen harmonikleri bastırıyor.

Daha sonra integrating sphere ışığı hem test edilen SPAD'a hem referans fotodiyoda dağıtıyor. Referans fotodiyot optik güç ölçere bağlı olduğundan SPAD üzerine ulaşan foton akısı kalibre edilebiliyor. SPAD'ın oluşturduğu elektrik darbeleri osiloskopta sayılıyor ve gelen foton sayısıyla karşılaştırılarak PDP hesaplanıyor.

Spektral duyarlılık nasıl değişiyor?

PDP yaklaşık 450–950 nm arasında ölçülmüştür. En yüksek değer yaklaşık 650 nm civarında elde edilmektedir. 5 V excess bias altında zirve PDP %39,4'tür.

940 nm'de silikonun soğurma davranışı farklı olduğu için değer daha düşük olmakla birlikte LiDAR açısından önemli olan bu dalga boyunda 5 V excess bias altında PDP %21'dir.

Excess bias yükseldikçe junction elektrik alanı güçleniyor ve oluşturulan taşıyıcının avalanche tetikleme olasılığı artıyor. Bu yüzden PDP 1 V'taki %4,2'den 5 V'taki %21'e yükseliyor.

Ancak yüksek excess bias yalnız avantaj sağlamıyor. Aynı gerilim artışı DCR'yi de yükselttiği için uygulama tasarımında PDP, timing jitter, gürültü ve güç gereksinimi birlikte optimize edilmelidir.

Timing jitter nasıl ölçüldü?

Şekil 7(a)'da 940 nm pikosaniyelik darbeli lazer kullanılıyor. Neutral-density filtre optik gücü azaltarak pile-up bozulmasını engelliyor. Filtre üzerinden yansıyan istenmeyen ışık beam dump tarafından soğuruluyor.

SPAD çıkışı TCSPC özelliğine sahip osiloskopa bağlanıyor. Böylece lazer tetikleme anıyla SPAD'ın avalanche darbesi arasındaki zaman binlerce olay için ölçülerek photon-arrival-time histogramı oluşturuluyor.

Gerilim arttığında timing jitter nasıl değişti?

Excess bias 1 V'tan 5 V'a yükseldiğinde:

Yüksek elektrik alan fotonla oluşturulan taşıyıcıları daha hızlı sürüklediğinden taşıma süresi dağılımı daralıyor. Ayrıca avalanche'ın oluşma zamanındaki istatistiksel belirsizlik de azalıyor.

46 ps sonucu neden çalışmanın merkezinde?

Şekil 8'de araştırmacılar cihazlarını daha önce yayımlanmış BI-SPAD sonuçlarıyla karşılaştırıyor. Karşılaştırmadaki önceki cihazların 940 nm timing jitter değerleri yaklaşık 100–205 ps aralığında bulunurken önerilen yapı 46 ps FWHM değerine ulaşıyor.

Üstelik breakdown gerilimi 15 V seviyesinde tutuluyor ve 940 nm PDP %21 olarak korunuyor. Çalışmanın ana yenilik iddiası bu nedenle yalnız “en düşük jitter” değil; düşük timing jitter + kullanılabilir NIR PDP + görece düşük breakdown geriliminin aynı kompakt yapıda birleştirilmesidir.

PDP ile PDE aynı şey mi?

Tam olarak değil. PDP tek SPAD'ın gelen foton başına avalanche üretme olasılığını ifade eder. Bir sensör dizisindeki photon detection efficiency (PDE) ise geometrik fill factor gibi ek faktörlerden etkilenebilir.

Araştırmacılar bu çalışmadaki cihazın tek piksel test yapısı olduğunu özellikle belirtiyor. Gelecekte mikrolens ile etkin fill factor yaklaşık %100'e yaklaştırılabilirse ölçülen PDP'nin sistemdeki PDE'ye daha yakın temsil sağlayabileceğini tartışıyorlar. Ancak bu çalışmada böyle tam bir mikrolensli SPAD dizisi gösterilmemiştir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• 40 nm CIS sürecinde fiziksel olarak üretilmiş arka aydınlatmalı SPAD, 940 nm'de 46 ps FWHM timing jitter göstermiştir.
• Aynı 5 V excess bias koşulunda 940 nm PDP %21'dir.
• Breakdown gerilimi yaklaşık 15 V'tur.
• 650 nm'de peak PDP %39,4'e ulaşmıştır.
• VG guard-ring tasarımı üç test edilen yapı arasında PDP ile timing jitter açısından en avantajlı dengeyi göstermiştir.
• TCAD, LET ve LSM sonuçları avalanche bölgesinin aktif junction içinde sınırlandırıldığını birbirini tamamlayan yöntemlerle desteklemiştir.
• Cihaz −30 °C ile 90 °C arasında karakterize edilmiş ve sıcaklığa bağlı breakdown ile DCR davranışı ölçülmüştür.
• Ölçüm koşullarında afterpulsing ihmal edilebilir bulunmuştur.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• Çalışma tamamlanmış bir LiDAR sistemi göstermemektedir.
• Otomotiv seviyesinde uzun menzil performansı ölçülmemiştir.
• Bir SPAD kamera dizisinin görüntü çözünürlüğü veya kare hızı test edilmemiştir.
• 46 ps değerinden bütün LiDAR sisteminin doğrudan 6,9 mm mutlak mesafe doğruluğuna sahip olacağı sonucu çıkarılamaz; lazer, TDC, elektronikler ve sinyal işleme de sistem hatasına katkıda bulunur.
• Çalışma sistem düzeyinde toplam güç tüketimini ölçmemektedir.
• VG'nin daha yüksek DCR üretmesi nedeniyle bütün SPAD uygulamalarında otomatik olarak en iyi guard-ring çözümü olduğu söylenemez.
• %21 PDP, %21 fill-factor dahil sistem PDE değeri anlamına gelmez.
• Akıllı telefon, AR/VR/XR veya mobil LiDAR entegrasyonu çalışma içinde ürün seviyesinde gerçekleştirilmemiştir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Üretim teknolojisi ve temel geometri

Guard-ring karşılaştırmasının deneysel sonucu

Bu sonuç tasarımda klasik bir performans değiş tokuşunu gösteriyor. Guard-ring sınır etkisi güçlendikçe gürültü azaltılabilir fakat faydalı foto-taşıyıcıların bir bölümü de avalanche bölgesinden uzaklaştırılabilir. VG bu sınır etkisini azaltarak PDP ve timing jitter'ı iyileştirirken DCR'de artışa neden olmuştur.

TCAD, LET ve LSM doğrulaması

Elektriksel gürültü ve sıcaklık karakterizasyonu

Optik algılama sonuçları

Zamanlama performansı

Timing jitter'daki azalma, yükselen excess bias ile elektrik alanın güçlenmesi sonucu taşıyıcı drift hızının artması ve avalanche tetikleme zamanındaki dağılımın daralmasıyla açıklanıyor.

Şekil 8'deki state-of-the-art karşılaştırması nasıl okunmalı?

Araştırmacılar önerdikleri SPAD'ı daha önce yayımlanmış BI-SPAD yapılarıyla üç ana eksende karşılaştırıyor: breakdown voltage, 940 nm timing jitter ve 940 nm PDP.

Önerilen cihazın kombinasyonu:

• 40 nm teknoloji,
• 4 µm epitaksiyel kalınlık,
• izole carrier-collection region,
• 15 V breakdown,
• %21 PDP @ 940 nm,
• 46 ps jitter @ 940 nm

olarak veriliyor.

Şekil 8'deki önceki çalışmaların ölçüm şartlarının tamamı bire bir aynı değildir ve tablonun bazı hücrelerinde farklı sıcaklık, APDE/microlens veya farklı dalga boyuna ilişkin dipnotlar bulunmaktadır. Bu nedenle karşılaştırmanın en güvenli sonucu, çalışmanın kendi ölçüm koşullarında çok düşük 940 nm timing jitter elde ettiği ve bununla birlikte NIR PDP'yi kullanılabilir düzeyde koruduğudur.

Çalışmanın deneysel güçlü yönleri

• Aynı junction geometrisinde üç guard-ring tasarımı doğrudan karşılaştırılmıştır.
• Yapısal açıklama yalnız simülasyona dayandırılmamış; TCAD, LET ve LSM birlikte kullanılmıştır.
• PDP tek dalga boyunda değil geniş spektral aralıkta ölçülmüştür.
• 940 nm için özel LiDAR zamanlama karakterizasyonu yapılmıştır.
• DCR sıcaklığa bağlı olarak −30 ila 90 °C arasında ölçülmüştür.
• Afterpulsing ayrıca araştırılmıştır.
• FWHM yanında dağılım kuyruğunu daha iyi temsil eden FWTM de raporlanmıştır.
• Sonuçlar önceki BI-SPAD literatürüyle nicel olarak karşılaştırılmıştır.

Çalışmanın temel sınırlılıkları

• Test edilen yapı tek piksellik karakterizasyon cihazıdır.
• Yüksek çözünürlüklü SPAD dizisi bu çalışmada gösterilmemiştir.
• TDC, quenching ve sayısal işlem devreleriyle bütünleşik nihai LiDAR sensörü değerlendirilmemiştir.
• Gerçek dış ortam hedeflerinde menzil ve derinlik doğruluğu testi yapılmamıştır.
• Güç tüketimi için sistem düzeyinde watt veya enerji/foton/ölçüm karşılaştırması sunulmamıştır.
• Mikrolensli gerçek dizi fill factor'ü deneysel olarak gösterilmemiştir.
• VG'nin DCR değeri diğer guard-ring tasarımlarından daha yüksektir.
• Uzun süreli yaşlandırma ve cihaz ömrü çalışmanın ana karakterizasyon kapsamına dahil değildir.

Kaynak ve Yöntem Notu

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

Yazarlar, kaynak sırasıyla: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.

Sorumlu yazar: Myung-Jae Lee.

Eş birinci yazar/eş katkı: Kaynakta eş birinci yazarlık veya eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

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

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Hakemli özgün araştırma makalesidir.

Dergi:APL Photonics.

Yayınevi: AIP Publishing.

Yayın kimliği: APL Photonics 11, 016104 (2026).

DOI: 10.1063/5.0301124.

Yayın süreci: Gönderim 6 Eylül 2025; kabul 22 Aralık 2025; çevrimiçi yayın 16 Ocak 2026.

Özel koleksiyon:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.

Resmî bağlantı:https://doi.org/10.1063/5.0301124.

Lisans: Makale, aksi ayrıca belirtilen içerikler dışında Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) lisansı altında yayımlanmıştır.

Finansman: Çalışma Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), Ministry of Science and ICT tarafından finanse edilen IITP desteği RS-2025-02218723, COMPA desteği RS-2024-00393983 ve Ministry of SMEs and Startups tarafından finanse edilen Technology Development Program desteği 00507002 kapsamında desteklenmiştir.

Teşekkür: Yazarlar SK hynix iş birlikçilerine, özellikle Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo ve Hoon-Sang Oh'a destekleri için teşekkür etmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar açıklanacak bir çıkar çatışması bulunmadığını bildirmiştir.

Veri erişilebilirliği: Çalışmanın bulgularını destekleyen verilerin makul talep üzerine sorumlu yazardan edinilebileceği belirtilmektedir.

Yazar katkıları: Eunsung Park kavramsallaştırma, veri düzenleme, formal analiz, araştırma, doğrulama ve görselleştirmede lider; metodolojide eş katkılı ve ilk taslakta liderdir. Doyoon Eom formal analizde destekleyici ve metodolojide eş katkılıdır. Joo-Hyun Kim araştırma ve doğrulamada destekleyici katkı sağlamıştır. Woo-Young Choi denetim ve metin gözden geçirmede destekleyici rol üstlenmiştir. Myung-Jae Lee finansman edinimi, proje yönetimi, denetim ve metin gözden geçirmede lider olarak beyan edilmiştir.

Önceki çalışma bağlantısı: Yazarlar cihazın ön sonuçlarının daha önce 2024 IEEE International Electron Devices Meeting'de “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications” başlığıyla raporlandığını belirtmektedir. Bu APL Photonics makalesi daha kapsamlı cihaz ve ölçüm karakterizasyonu sunmaktadır.

Temel bilimsel sınır: Çalışma gerçek, fiziksel olarak üretilmiş bir BI-SPAD'ı kapsamlı biçimde karakterize etmektedir; ancak tam bir LiDAR sistemi veya SPAD görüntüleme dizisi gerçekleştirmemektedir. Bu nedenle 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown ve DCR değerleri tek dedektörün aygıt seviyesindeki performansıdır. Sistem menzili, gerçek 3B görüntü kalitesi, toplam güç tüketimi veya ürün seviyesinde AR/VR/XR performansı bu çalışmadan doğrudan çıkarılamaz.

Bilimsel içerik kaynağı: Bu Verianla makalesindeki aygıt yapısı, deney düzenekleri, sayısal değerler, şekil açıklamaları, sonuçlar ve sınırlılıklar yalnız incelenen araştırmaya dayanmaktadır. Bibliyografik kimlik AIP Publishing'in resmî yayın kaydıyla da doğrulanmıştır.