Бул изилдөө LiDAR жана учуу-убакыттуу тереңдикти сезүү системаларында айрым фотондордун келүү убактысын өтө жогорку тактык менен аныктоо үчүн иштелип чыккан арткы жарыктандыруучу бир-фотондук көчкү диодун (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD) карайт. Изилдөөчүлөр 40 nm CMOS сүрөт сенсору (CIS) технологиясында даярдалган SPAD-дын эпитаксиалдык кремний калыңдыгын, алып жүрүүчүлөрдү чогултуу аймагын жана guard-ring геометриясын өзгөчө убакыттык белгисиздикти азайта тургандай долбоорлошкон. Эң мыкты түзүлүш — салттуу физикалык P-well guard-ring ордуна жеңил легирленген эпитаксиалдык аймак ошол милдетти аткарган virtual guard ring (VG) дизайны.
Оптималдаштырылган түзмөк LiDAR системаларында кеңири колдонулган 940 nm жакын инфракызыл толкун узундугунда, 5 V excess bias шартында 46 ps FWHM timing jitter жана %21 фотонду аныктоо ыктымалдыгын (PDP) камсыздайт. Ушул эле түзмөктүн breakdown чыңалуусу болжол менен 15 V. PDP спектрдин болжол менен 650 nm аймагында %39,4-гө жетет. Бөлмө температурасында 5 V excess bias шартындагы жалпы dark count rate болжол менен 2,7 kcps, ал эми нормалдаштырылган жыйынтык болжол менен 550 cps/µm². Afterpulsing колдонулган өлчөө шарттарында көңүлгө алынгыс деңгээлде табылган.
46 ps убакыттык белгисиздик LiDAR үчүн өзгөчө маанилүү. Изилдөөдө берилген болжол менен 0,15 mm/ps учуу-убакыты айландыруусу колдонулганда бул маани болжол менен 6,9 mm тереңдик белгисиздигинин масштабына туура келет. Изилдөөчүлөрдүн адабияттык салыштыруусунда мурдагы арткы жарыктандыруучу SPAD мисалдарынын 940 nm убакыт jitter маанилери 100 ps жана андан жогору бойдон калган, ал эми бул иштеги түзмөк 46 ps деңгээлине түшөт. Ошол эле учурда бул салыштыруу ар башка технологиялык түйүндөрдү, пиксел түзүлүштөрүн жана айрым ар башка өлчөө шарттарындагы эмгектерди камтыйт; ошондуктан бир гана көрсөткүчтөн жалпы түзмөк артыкчылыгы чыгарылбашы керек.
Түзмөк −30 °C менен 90 °C аралыгындагы температураларда өзүнчө мүнөздөлгөн. Breakdown чыңалуусунун температуралык коэффициенти болжол менен 13 mV/K болуп өлчөнгөн, ал эми 90 °C-де dark count rate болжол менен 34 kcps деңгээлине жогорулаган. Arrhenius анализи төмөн температураларда болжол менен 0,27 eV, жогорку температураларда болжол менен 0,47 eV активдешүү энергиясын көрсөткөн; изилдөөчүлөр муну тиешелүүлүгүнө жараша trap-assisted tunneling жана жогорку температураларда көбүрөөк байкала турган Shockley–Read–Hall жылуулук генерация механизмдери менен байланыштырган.
Түркия үчүн бул иш жергиликтүү LiDAR, роботтук сезүү, автономдуу системалар, өнөр жайлык 3Б көрүү, кеңейтилген/виртуалдык чындык жана фотондук сенсор изилдөөлөрү үчүн маанилүү түзмөк физикасынын мисалы болуп саналат. Бирок изилдөөдөгү SPAD Түркиядагы же башка өлкөдөгү даяр LiDAR өнүмүнө түздөн-түз орнотулуучу даяр сенсор деген тыянак чыгарууга болбойт. Толук колдонуу үчүн SPAD массивинин пиксел архитектурасы, quenching схемасы, убакыт-сандык өзгөрткүч, оптикалык система, микролинза, айлана-чөйрө жарыгын басуу, сигнал иштетүү, энергия керектөө жана реалдуу бута менен аралыкты текшерүү өзүнчө аткарылышы керек.
Бир-фотондук көчкү диоду деген эмне?
SPAD — тескери багытта breakdown чыңалуусунан жогору иштетилген атайын PN өтмөгү. Бул иш режими Geiger режими деп аталат. Бир фотон кремнийде электрон–тешик жупту пайда кылганда, жетишерлик күчтүү электр талаасы бул алып жүрүүчүнү ылдамдатып, көчкү көбөйүүсүн башташы мүмкүн. Ошентип, жалгыз фотон электроника менен оңой аныкталуучу чоң ток импульсуна айланат.
Көчкү башталгандан кийин атайын quenching схемасы токту токтотуп, SPAD-ды кайра аныктоого даярдайт. Ошондуктан SPAD-дын негизги артыкчылыгы өтө алсыз оптикалык сигналдарды түздөн-түз санарип импульстарга айландыра алышында.
LiDAR үчүн фотонду гана аныктоо эмне үчүн жетишсиз?
Time-of-flight LiDAR системасында бутага кыска жарык импульсу жөнөтүлүп, кайтып келген фотондун келүү убактысы өлчөнөт. Жарыктын барып-келүү убактысынан бутага чейинки аралык эсептелгендиктен, фотондун келүү убактысындагы белгисиздик түздөн-түз аралык белгисиздигине айланат.
SPAD бирдей оптикалык окуяларды өлчөгөндө түзүлгөн убакыт бөлүштүрүүнүн туурасы timing jitter деп аталат. Изилдөөдө көрсөткүч өзгөчө FWHM — бөлүштүрүүнүн жарым максималындагы толук туурасы — жана FWTM — ондон бир максималындагы толук туурасы — аркылуу бааланат.
Булакка ылайык, болжол менен ар бир 1 ps jitter LiDAR аралыгында болжол менен 0,15 mm белгисиздик масштабына туура келет. Ошондуктан 100 ps деңгээлиндеги детектор болжол менен 15 mm масштабындагы белгисиздикти берсе, изилдөөчүлөрдүн 46 ps жыйынтыгы болжол менен 6,9 mm масштабына туура келет.
Арткы жарыктандыруучу SPAD эмне үчүн колдонулат?
Front-illuminated SPAD-да жарык металл байланыштар жана ар кандай диэлектрик катмарлар жайгашкан алдыңкы тараптан кирет. Бул катмарлар келген жарыктын бир бөлүгүн чагылдырышы же жутушу мүмкүн. Ошондой эле 940 nm сыяктуу жакын инфракызыл фотондор кремнийдин тереңирээк аймактарында жутулууга жакын.
Back-illuminated түзүлүшүндө жарык кремнийдин арткы бетинен берилет. Мында алдыңкы тараптагы металл байланыштар жана схемалык катмарлар фотондун жолун тосбойт жана avalanche multiplication region (AMR) ылайыктуу тереңдикте жайгаштырылат.
Бирок мунун өз баасы бар. Мурунку BI-SPAD дизайнында NIR натыйжалуулугун көбөйтүү үчүн калыңыраак эпитаксиалдык кремний жана кең carrier-collection region колдонуу фотон жараткан алып жүрүүчү avalanche аймагына жетүү үчүн узагыраак жол басышына алып келиши мүмкүн. Алып жүрүүчүлөрдүн ар башка аралыктан келиши убакыт бөлүштүрүүн кеңейтип, timing jitter-ды жогорулатышы мүмкүн.
Бул изилдөөнүн негизги дизайн идеясы кандай?
Изилдөөчүлөр NIR сезгичтиги үчүн керектүү кремний көлөмүн сактоо менен, алып жүрүүчүлөр avalanche аймагына мүмкүн болушунча кыска жана көзөмөлдөнгөн жол менен жетишин максат кылган.
Бул үчүн үч негизги дизайн чечими колдонулат:
- Эпитаксиалдык кремний калыңдыгы 4 µm болуп тандалат.
- Carrier-collection region deep n-well (DNW) изоляциясы менен капталынан чектелет.
- Guard-ring геометриясы электр талаасын жана ток жолун оптималдаштыра тургандай кайра долбоорлонот.
Активдүү өтмөк P+/N-well түзүлүшүндө жана диаметри болжол менен 2,5 µm. Салыштырмалуу жогорку легирлөө деңгээли күчтүү электр талаасын түзүп, төмөн breakdown чыңалуусуна жана тез avalanche ишке киришине салым кошот.
Үч башка guard-ring түзүлүшү кантип долбоорлонгон?
2-сүрөттө бирдей негизги P+/N-well өтмөгүн жана бирдей пиксел түзүлүшүн колдонгон үч SPAD көрсөтүлгөн. Айырма guard-ring колдонулушунда гана.
| Түзүлүш | Guard-ring | Булакта берилген негизги өзгөчөлүк |
|---|---|---|
| Structure 1 | PW1 | 1 µm туурасындагы тереңирээк P-well; катоддон 0,5 µm боштук |
| Structure 2 | PW2 | Ошол эле тууралык жана боштуктагы тайызыраак P-well |
| Structure 3 | VG | Болжол менен 1,5 µm туурасындагы жеңил легирленген P-epi аймагы түзгөн virtual guard ring |
Virtual guard ring retrograde DNW легирлөө профилинен улам P+ аноддун айланасында калган жеңил легирленген P-эпитаксиалдык аймактан түзүлөт. Ошентип изилдөөчүлөр кошумча терең физикалык P-well түзбөстөн junction четиндеги электр талаасын көзөмөлдөшөт.
Guard ring эмне үчүн керек?
SPAD-дын активдүү борборунда бир калыпта avalanche болушу талап кылынат. Junction четинде электр талаасы өтө жогоруласа premature edge breakdown (PEB) пайда болушу мүмкүн. Мындай учурда avalanche керектүү борбордук аймакта эмес, четтерде башталып, ызы-чуу жана көрсөткүч өзгөрмөлүүлүгү жогорулашы мүмкүн.
Guard ring junction четиндеги электр талаасынын профилин жөнгө салат. Бирок өтө күчтүү же өтө терең guard ring фотон жараткан алып жүрүүчүлөрдүн avalanche аймагына жетпей рекомбинация болушуна же узагыраак ток жолун басышына да алып келиши мүмкүн. Изилдөөнүн дизайн маселеси — ушул эки таасирди тең салмактоо.
Эмне үчүн virtual guard ring эң жакшы натыйжа берди?
3-сүрөттө үч guard-ring дизайны бирдей шартта электрдик жана оптикалык жактан салыштырылат. VG түзүлүшү эң жогорку saturation current маанисин жана чыгуу импульсунун эң тез rising edge-ын көрсөтөт.
Изилдөөчүлөр муну анод менен катоддун ортосундагы кыскараак ток жолу сериялык каршылыкты азайтканы менен түшүндүрүшөт. Электрдик чыгыштын тез өтүүсү avalanche башталуу убактысындагы электрондук белгисиздикти азайтууга салым кошот.
VG ошондой эле фотон жараткан көбүрөөк алып жүрүүчү guard-ring аймагында жоголбой, avalanche multiplication region-га жетишине шарт түзөт. Натыйжада PDP да PW1 жана PW2-ден жогору чыгат.
Бирок мунун ордуна VG түзүлүшүнүн dark count rate-и башка эки дизайндан жогору. Демек жыйынтык “VG бардык метрикада эң төмөн” дегенди билдирбейт. Изилдөөчүлөрдүн аны тандашынын себеби PDP менен timing jitter ортосундагы ыңгайлуу тең салмак.
Электр талаасы чындап долбоорлонгон аймакта түзүлөбү?
Муну текшерүү электрдик I–V өлчөөлөрүнө гана калтырылган эмес. Изилдөө үч башка ыкманы колдонот:
- TCAD: электр талаасынын бөлүштүрүлүшү сандык эсептелет.
- LET: avalanche учурунда пайда болгон жарык эмиссиясы сүрөткө түшүрүлөт.
- LSM: 940 nm лазер субмикрондук чекитке фокусталып, түзмөктүн бетинде сканерленет жана ар бир жерде аныктоо окуяларынын саны эсептелет.
4(a)-сүрөттөгү TCAD жыйынтыгы 5 V excess bias шартында күчтүү электр талаасы долбоорлонгон avalanche multiplication region ичинде топтолгонун көрсөтөт. Четте көзөмөлсүз breakdown аймагы байкалбаганы guard-ring PEB-ди басат деген түшүндүрмөнү колдойт.
Light emission test эмнени көрсөттү?
Avalanche учурунда алып жүрүүчүлөрдүн рекомбинациясы алсыз жарык эмиссиясын жаратышы мүмкүн. LET сүрөттөрүндө excess bias 1 V-дан 5 V-га көтөрүлгөндө борбордогу тегерек эмиссия күчөйт.
Эмиссиянын так борбордо жана болжол менен тегерек болушу avalanche junction тегерегиндеги керексиз четтерде эмес, долбоорлонгон активдүү аймакта жүрүп жатканын эксперименттик жактан колдойт.
Лазердик скан активдүү аймакты кантип тастыктады?
LSM экспериментинде 940 nm лазер нуру субмикрондук чекитке фокусталып, SPAD бойлото растр түрүндө сканерленет. Ар бир позицияда пайда болгон photon detection окуялары саналат.
Алынган аныктоо аймагынын FWHM туурасы болжол менен 2,5 µm. Бул маани долбоорлонгон P+/N-well junction-дын 2,5 µm диаметри менен жакын дал келет. Ошентип TCAD, LET жана LSM үч башка ыкма менен бир эле физикалык жыйынтыкты көрсөтөт: avalanche активдүүлүгү долбоорлонгон кичине аймакта жакшы чектелген.
Dark count rate деген эмне?
SPAD-га фотон келбесе да avalanche импульсу пайда болушу dark count деп аталат. Секундасына мындай жалган окуялардын саны dark count rate (DCR) менен берилет.
VG түзмөгүндө бөлмө температурасында DCR excess bias төмөн болгондо бир нече counts/s деңгээлинен төмөн бойдон калат, чыңалуу жогорулаганда көбөйөт. 5 V excess bias шартында болжол менен 2,7 kcps өлчөнөт.
Изилдөөнүн жыйынтык бөлүмүндө ушул эле маани активдүү аянтка нормалдаштырылып, болжол менен 550 cps/µm² деп берилет.
Afterpulsing табылдыбы?
Afterpulsing — чыныгы avalanche-дан кийин кремний кемтиктеринде кармалып калган алып жүрүүчүлөр кеч бошонуп, жалган экинчи avalanche пайда кылган көрүнүш. Так photon-timing колдонмолорунда бул өлчөө жыйынтыгын бузушу мүмкүн.
Изилдөөчүлөр 5 V excess bias шартында inter-avalanche time histogram өлчөшөт. 5(b)-сүрөттө колдонулган шарттарда байкаларлык afterpulsing ашыкчасы көрүнбөйт жана иш afterpulsing ыктымалдыгын көңүлгө алынгыс деп баалайт. Графикте dead time болжол менен 0,6 µs деңгээлинде көрсөтүлгөн.
Температура түзмөккө кандай таасир берет?
SPAD −30 °C менен 90 °C аралыгында 15 °C кадам менен текшерилген. Breakdown voltage температура менен болжол менен сызыктуу өсөт жана коэффициент болжол менен:
\[ 13\;\mathrm{mV/K} \]
болуп өлчөнөт.
Бөлмө температурасынан 90 °C-ге чейин жалпы breakdown чыңалуусунун өзгөрүшү 1 V-дан төмөн бойдон калат. Ал эми жылуулук алып жүрүүчүлөрдүн жаралышы көбөйгөндүктөн DCR температура менен олуттуу өсүп, 90 °C-де, 5 V excess bias шартында болжол менен 34 kcps деңгээлине жетет.
Ызы-чуу механизми температура менен өзгөрөбү?
Arrhenius графиги активдешүү энергиясынын эки башка аймагын көрсөтөт:
- Төмөн температура аймагында болжол менен 0,27 eV.
- Жогорку температура аймагында болжол менен 0,47 eV.
Изилдөөчүлөрдүн түшүндүрмөсү боюнча бөлмө температурасынан төмөндө trap-assisted tunneling үстөм болгон ызы-чуу механизми. Бөлмө температурасынан жогору болсо trap-assisted thermal generation, башкача айтканда Shockley–Read–Hall генерациясы көбүрөөк байкалат.
PDP так эмнени өлчөйт?
Photon Detection Probability (PDP) — SPAD-га түшкөн фотондун өлчөнө турган avalanche окуясын баштоо ыктымалдыгы. Фотондун кремнийде жутулушу гана жетишсиз; пайда болгон алып жүрүүчү avalanche multiplication region-га жетип, avalanche башташы керек.
Ошондуктан PDP төмөнкү процесстердин биргелешкен натыйжасы:
- фотондун жутулушу,
- алып жүрүүчү жаралышы,
- алып жүрүүчүнүн активдүү аймакка жетиши,
- avalanche баштоо ыктымалдыгы.
PDP кантип өлчөндү?
6(a)-сүрөттөгү эксперименттик түзүлүштө кең спектрдүү галоген лампа колдонулат. Жарык адегенде monochromator аркылуу өткөрүлүп, керектүү толкун узундугу тандалат. Long-pass фильтр керексиз гармоникаларды басат.
Андан кийин integrating sphere жарыкты сыналып жаткан SPAD-га да, эталон фотодиодго да бөлүштүрөт. Эталон фотодиод оптикалык кубат өлчөгүчкө туташкандыктан, SPAD-га жеткен фотон агымы калибрленет. SPAD чыгарган электр импульстары осциллоскопто саналып, келген фотондордун саны менен салыштырылып PDP эсептелет.
Спектрдик сезгичтик кандай өзгөрөт?
PDP болжол менен 450–950 nm аралыгында өлчөнгөн. Эң жогорку маани болжол менен 650 nm тегерегинде алынат. 5 V excess bias шартында peak PDP %39,4.
940 nm-де кремнийдин жутуу жүрүмү башка болгондуктан маани төмөнүрөөк, бирок LiDAR үчүн маанилүү ушул толкун узундугунда 5 V excess bias шартында PDP %21.
Excess bias жогорулаган сайын junction электр талаасы күчөп, пайда болгон алып жүрүүчүнүн avalanche баштоо ыктымалдыгы өсөт. Ошондуктан PDP 1 V-догу %4,2-ден 5 V-догу %21-ге көтөрүлөт.
Бирок жогорку excess bias артыкчылыкты гана бербейт. Ошол эле чыңалуунун өсүшү DCR-ди да көбөйткөндүктөн колдонмо дизайнында PDP, timing jitter, ызы-чуу жана энергия талабы бирге оптималдаштырылышы керек.
Timing jitter кантип өлчөндү?
7(a)-сүрөттө 940 nm пикосекунддук импульстуу лазер колдонулат. Neutral-density фильтр оптикалык кубатты азайтып, pile-up бурмалоосун алдын алат. Фильтрден чагылган керексиз жарык beam dump тарабынан жутулат.
SPAD чыгышы TCSPC мүмкүнчүлүгү бар осциллоскопко туташтырылат. Ошентип лазердин trigger учуру менен SPAD-дын avalanche импульсунун ортосундагы убакыт миңдеген окуя үчүн өлчөнүп, photon-arrival-time histogram түзүлөт.
Чыңалуу өскөндө timing jitter кандай өзгөрдү?
Excess bias 1 V-дан 5 V-га көтөрүлгөндө:
| Timing көрсөткүчү | VE = 1 V | VE = 5 V |
|---|---|---|
| FWHM | 178 ps | 46 ps |
| FWTM | 394 ps | 100 ps |
Күчтүү электр талаасы фотон жараткан алып жүрүүчүлөрдү ылдамыраак сүрөгөндүктөн ташуу убактысынын бөлүштүрүлүшү тарыт. Мындан тышкары avalanche пайда болуу убактысындагы статистикалык белгисиздик да азаят.
46 ps жыйынтыгы эмне үчүн иштин борборунда?
8-сүрөттө изилдөөчүлөр түзмөктү мурда жарыяланган BI-SPAD жыйынтыктары менен салыштырышат. Салыштыруудагы мурдагы түзмөктөрдүн 940 nm timing jitter маанилери болжол менен 100–205 ps аралыгында болсо, сунушталган түзүлүш 46 ps FWHM маанисине жетет.
Мындан тышкары breakdown чыңалуусу 15 V деңгээлинде кармалып, 940 nm PDP %21 болуп сакталат. Ошондуктан иштин негизги жаңылык дооматы жөн гана “эң төмөн jitter” эмес; төмөн timing jitter + колдонууга жарамдуу NIR PDP + салыштырмалуу төмөн breakdown чыңалуусунун бир компакт түзүлүштө айкалышы.
PDP менен PDE бир эле нерсеби?
Так эле эмес. PDP бир SPAD-дын түшкөн фотонго карата avalanche жаратуу ыктымалдыгын билдирет. Сенсор массивиндеги photon detection efficiency (PDE) болсо геометриялык fill factor сыяктуу кошумча факторлордон таасир алат.
Изилдөөчүлөр бул иштеги түзмөк бир пикселдик тест түзүлүшү экенин өзгөчө белгилешет. Келечекте микролинза менен эффективдүү fill factor болжол менен %100-гө жакындатылса, өлчөнгөн PDP системадагы PDE-ге жакыныраак өкүл болоорун талкуулашат. Бирок бул иште мындай толук микролинзалуу SPAD массиви көрсөтүлгөн эмес.
Изилдөө колдогон жыйынтыктар
- 40 nm CIS процессинде физикалык даярдалган арткы жарыктандыруучу SPAD 940 nm-де 46 ps FWHM timing jitter көрсөткөн.
- Ошол эле 5 V excess bias шартында 940 nm PDP %21.
- Breakdown чыңалуусу болжол менен 15 V.
- 650 nm-де peak PDP %39,4-гө жеткен.
- VG guard-ring дизайны сыналган үч түзүлүш арасында PDP жана timing jitter боюнча эң ыңгайлуу тең салмакты көрсөткөн.
- TCAD, LET жана LSM жыйынтыктары avalanche аймагы активдүү junction ичинде чектелгенин бири-бирин толуктаган ыкмалар менен колдогон.
- Түзмөк −30 °C менен 90 °C аралыгында мүнөздөлүп, температурага байланыштуу breakdown жана DCR жүрүмү өлчөнгөн.
- Өлчөө шарттарында afterpulsing көңүлгө алынгыс деп табылган.
Изилдөө колдобогон жыйынтыктар
- Изилдөө толук бүткөн LiDAR системасын көрсөтпөйт.
- Автомобилдик деңгээлдеги узак аралык көрсөткүчү өлчөнгөн эмес.
- SPAD камера массивинин сүрөт ажыратуусу же кадр ылдамдыгы сыналган эмес.
- 46 ps маанисинен бүт LiDAR системасы түздөн-түз 6,9 mm абсолюттук аралык тактыгына ээ деген тыянак чыгарууга болбойт; лазер, TDC, электроника жана сигнал иштетүү да системалык катага салым кошот.
- Изилдөө системалык деңгээлдеги жалпы энергия керектөөнү өлчөбөйт.
- VG жогорураак DCR түзгөндүктөн бардык SPAD колдонмолорунда автоматтык түрдө эң жакшы guard-ring чечими деп айтууга болбойт.
- %21 PDP fill-factor кошулган %21 системалык PDE мааниси дегенди билдирбейт.
- Смартфон, AR/VR/XR же мобилдик LiDAR интеграциясы иштин ичинде өнүм деңгээлинде аткарылган эмес.
Изилдөөнүн ыкмасы жана жыйынтыктары
Өндүрүш технологиясы жана негизги геометрия
| Параметр | Булакта колдонулган маани / түзүлүш |
|---|---|
| Детектор түрү | Back-illuminated SPAD |
| Өндүрүш технологиясы | 3D-stacked 40 nm CMOS image sensor (CIS) |
| Эпитаксиалдык кремний калыңдыгы | 4 µm |
| Активдүү junction | P+/N-well |
| Активдүү junction диаметри | 2,5 µm |
| Изоляция | Deep n-well (DNW) |
| Тандалган guard ring | Virtual guard ring (VG) |
| VG туурасы | 1,5 µm |
| Breakdown voltage | 15 V |
| Эң чоң изилденген excess bias | 5 V |
Guard-ring салыштыруусунун эксперименттик жыйынтыгы
| Өзгөчөлүк | PW1 | PW2 | VG |
|---|---|---|---|
| Guard ring тереңдиги | Эң терең | Тайызыраак | Эң тайыз / виртуалдык түзүлүш |
| Saturation current | Эң төмөн | Орто | Эң жогорку |
| Output rising edge | Жайыраак | Орто | Эң тез |
| DCR | Эң төмөн тенденция | Орто | Жогорураак |
| PDP | Эң төмөн | Орто | Эң жогорку |
| Timing jitter | Эң жогорку | Төмөнүрөөк | Эң төмөн |
Бул жыйынтык дизайндагы классикалык компромисти көрсөтөт. Guard-ring чек ара таасири күчөгөн сайын ызы-чуу азайышы мүмкүн, бирок пайдалуу фотоалып жүрүүчүлөрдүн бир бөлүгү avalanche аймагынан алыстатылышы мүмкүн. VG бул чек ара таасирин азайтып PDP жана timing jitter-ды жакшыртканы менен DCR-дин өсүшүнө алып келген.
TCAD, LET жана LSM текшерүүсү
| Ыкма | Эмнени өлчөйт/көрсөтөт? | Негизги жыйынтык |
|---|---|---|
| TCAD | Электр талаасынын бөлүштүрүлүшү | Жогорку талаа AMR ичинде чектелген; PEB басылган. |
| LET | Avalanche учурунда чыккан жарык | Тегерек жана борборлошкон avalanche активдүүлүгү байкалган. |
| LSM | 940 nm лазер менен мейкиндиктик аныктоо профили | Болжол менен 2,5 µm FWHM активдүү аймак өлчөнгөн. |
Электрдик ызы-чуу жана температуралык мүнөздөмө
| Көрсөткүч | Жыйынтык | Шарт |
|---|---|---|
| DCR | ~2,7 kcps | Бөлмө температурасы, VE = 5 V |
| Нормалдаштырылган DCR | 550 cps/µm² | VE = 5 V |
| Afterpulsing | Көңүлгө алынгыс | VE = 5 V |
| Температура аралыгы | −30-дан 90 °C-ге чейин | Камералык чөйрө тести |
| Breakdown температуралык коэффициенти | ~13 mV/K | Сызыктуу тенденция |
| DCR @ 90 °C | ~34 kcps | VE = 5 V |
| Төмөн температура активдешүү энергиясы | ~0,27 eV | Trap-assisted tunneling менен байланыштырылат |
| Жогорку температура активдешүү энергиясы | ~0,47 eV | SRH жылуулук генерациясы менен байланыштырылат |
Оптикалык аныктоо жыйынтыктары
| Өлчөө | Жыйынтык | Шарт |
|---|---|---|
| Өлчөнгөн спектрдик аралык | 450–950 nm | Monochromator негизиндеги PDP тести |
| Peak PDP | %39,4 | 650 nm, VE = 5 V |
| NIR PDP | %21 | 940 nm, VE = 5 V |
| NIR PDP | %8,5 | 940 nm, VE = 2 V |
Убакыттык көрсөткүч
| Көрсөткүч | 1 V excess bias | 5 V excess bias |
|---|---|---|
| FWHM timing jitter | 178 ps | 46 ps |
| FWTM timing jitter | 394 ps | 100 ps |
Timing jitter-дын азайышы excess bias көбөйгөндө электр талаасы күчөп, алып жүрүүчүлөрдүн drift ылдамдыгы жогорулап жана avalanche башталуу убактысынын бөлүштүрүлүшү тарышы менен түшүндүрүлөт.
8-сүрөттөгү state-of-the-art салыштырууну кантип окуу керек?
Изилдөөчүлөр сунушталган SPAD-ды мурда жарыяланган BI-SPAD түзүлүштөрү менен үч негизги багытта салыштырышат: breakdown voltage, 940 nm timing jitter жана 940 nm PDP.
Сунушталган түзмөктүн айкалышы:
- 40 nm технология,
- 4 µm эпитаксиалдык калыңдык,
- изоляцияланган carrier-collection region,
- 15 V breakdown,
- %21 PDP @ 940 nm,
- 46 ps jitter @ 940 nm
деп берилет.
8-сүрөттөгү мурдагы иштердин өлчөө шарттары толук бирдей эмес жана таблицанын айрым уячаларында башка температура, APDE/microlens же башка толкун узундугу боюнча эскертмелер бар. Ошондуктан салыштыруунун эң ишенимдүү жыйынтыгы — иш өзүнүн өлчөө шартында өтө төмөн 940 nm timing jitter алган жана ошол эле учурда NIR PDP-ни колдонууга жарамдуу деңгээлде сактаган.
Изилдөөнүн эксперименттик күчтүү жактары
- Бирдей junction геометриясында үч guard-ring дизайны түз салыштырылган.
- Түзүлүш түшүндүрмөсү симуляцияга гана таянган эмес; TCAD, LET жана LSM бирге колдонулган.
- PDP бир эле толкун узундугунда эмес, кең спектрдик аралыкта өлчөнгөн.
- 940 nm үчүн өзүнчө LiDAR убакыттык мүнөздөмө жүргүзүлгөн.
- DCR температурага жараша −30-дан 90 °C-ге чейин өлчөнгөн.
- Afterpulsing өзүнчө изилденген.
- FWHM менен катар бөлүштүрүүнүн куйругун жакшыраак чагылдырган FWTM да берилген.
- Жыйынтыктар мурдагы BI-SPAD адабияты менен сандык салыштырылган.
Изилдөөнүн негизги чектөөлөрү
- Сыналган түзүлүш бир пикселдик мүнөздөмө түзмөгү.
- Жогорку ажыратуудагы SPAD массиви бул иште көрсөтүлгөн эмес.
- TDC, quenching жана санарип иштетүү схемалары менен интеграцияланган акыркы LiDAR сенсору бааланган эмес.
- Реалдуу тышкы бутада аралык жана тереңдик тактыгы сыналган эмес.
- Энергия керектөө үчүн системалык деңгээлдеги watt же энергия/фотон/өлчөө салыштыруусу берилген эмес.
- Микролинзалуу реалдуу массив fill factor эксперименттик түрдө көрсөтүлгөн эмес.
- VG DCR мааниси башка guard-ring дизайндарына караганда жогору.
- Узак мөөнөттүү эскирүү жана түзмөк өмүрү изилдөөнүн негизги мүнөздөмө чөйрөсүнө кирген эмес.
Булак жана ыкма эскертмеси
Толук оригинал иштин аталышы:Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR.
Авторлор, булактагы ирети менен: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.
Жооптуу автор: Myung-Jae Lee.
Тең биринчи автор/тең салым: Булакта тең биринчи авторлук же тең салым билдирүүсү жок.
Мекемелер: Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, South Korea; TruPixel, Inc., Daejeon 34138, South Korea.
Булактын түрү жана рецензия статусу: Рецензияланган оригинал изилдөө макаласы.
Журнал:APL Photonics.
Басма: AIP Publishing.
Жарыя идентификатору: APL Photonics 11, 016104 (2026).
DOI: 10.1063/5.0301124.
Жарыя процесси: Жөнөтүлгөн 6 сентябрь 2025; кабыл алынган 22 декабрь 2025; онлайн жарыяланган 16 январь 2026.
Атайын коллекция:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.
Расмий шилтеме:https://doi.org/10.1063/5.0301124.
Лицензия: Макала, өзүнчө белгиленген материалдардан тышкары, Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) лицензиясы менен жарыяланган.
Каржылоо: Иш Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), Ministry of Science and ICT каржылаган IITP колдоосу RS-2025-02218723, COMPA колдоосу RS-2024-00393983 жана Ministry of SMEs and Startups каржылаган Technology Development Program колдоосу 00507002 алкагында колдоого алынган.
Ыраазычылык: Авторлор SK hynix кызматташтарына, айрыкча Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo жана Hoon-Sang Oh-га колдоосу үчүн ыраазычылык билдиришет.
Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор жарыялануучу кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.
Маалымат жеткиликтүүлүгү: Изилдөөнүн жыйынтыктарын колдогон маалыматтар жүйөлүү суроо-талап менен жооптуу автордон алынышы мүмкүн экени көрсөтүлгөн.
Автордук салымдар: Eunsung Park концептуалдаштыруу, маалыматтарды уюштуруу, формалдуу анализ, изилдөө, текшерүү жана визуалдаштырууда жетектөөчү; методологияда тең салым кошкон жана биринчи долбоордо жетектөөчү. Doyoon Eom формалдуу анализде колдоочу жана методологияда тең салым кошкон. Joo-Hyun Kim изилдөө жана текшерүүдө колдоочу салым берген. Woo-Young Choi көзөмөл жана текстти кайра кароодо колдоочу роль аткарган. Myung-Jae Lee каржылоону алуу, долбоорду башкаруу, көзөмөл жана текстти кайра кароодо жетектөөчү катары көрсөтүлгөн.
Мурунку иш менен байланыш: Авторлор түзмөктүн алгачкы жыйынтыктары мурда 2024 IEEE International Electron Devices Meeting-де “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications” аталышы менен баяндалганын билдиришет. Бул APL Photonics макаласы түзмөк жана өлчөө боюнча кеңири мүнөздөмө берет.
Негизги илимий чеги: Иш реалдуу, физикалык даярдалган BI-SPAD-ды кеңири мүнөздөйт; бирок толук LiDAR системасын же SPAD сүрөттөө массивин ишке ашырбайт. Ошондуктан 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown жана DCR маанилери бир детектордун түзмөк деңгээлиндеги көрсөткүчтөрү. Системанын аралыгы, реалдуу 3Б сүрөт сапаты, жалпы энергия керектөө же өнүм деңгээлиндеги AR/VR/XR көрсөткүчү бул иштен түз чыгарылбайт.
Илимий мазмундун булагы: Бул Verianla макаласындагы түзмөк түзүлүшү, эксперименттик жабдуулар, сандык маанилер, сүрөт түшүндүрмөлөрү, жыйынтыктар жана чектөөлөр каралган изилдөөгө гана негизделген. Библиографиялык идентификация AIP Publishing расмий жарыя жазуусу менен да текшерилген.
Пикир калтырыңыз
E-mail дарегиңиз жарыяланбайт. Милдеттүү талаалар * менен белгиленген