Utafiti huu unachunguza diodi ya avalanche ya fotoni moja inayoangaziwa kutoka nyuma (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD) iliyotengenezwa ili kubaini muda wa kuwasili kwa fotoni moja moja kwa usahihi wa juu sana katika mifumo ya LiDAR na utambuzi wa kina wa time-of-flight. Watafiti walibuni unene wa silikoni ya epitaxial, eneo la kukusanya vibeba-chaji na jiometri ya guard-ring ya SPAD iliyotengenezwa kwa teknolojia ya 40 nm CMOS image sensor (CIS), hasa kwa lengo la kupunguza kutokuwa na uhakika wa muda. Muundo bora ni virtual guard ring (VG), ambapo eneo la epitaxial lenye doping ndogo hutekeleza kazi hiyo badala ya P-well guard-ring ya kawaida ya kimwili.

Kifaa kilichoboreshwa kinatoa, katika urefu wa wimbi wa karibu na infrared wa 940 nm unaotumiwa sana katika mifumo ya LiDAR, 46 ps FWHM timing jitter na %21 probability ya kugundua fotoni (PDP) chini ya 5 V excess bias. Breakdown voltage ya kifaa hicho hicho ni takriban 15 V. PDP hufikia %39,4 katika eneo la takriban 650 nm la spektra. Katika halijoto ya chumba na chini ya 5 V excess bias, jumla ya dark count rate ni takriban 2,7 kcps; thamani iliyorekebishwa kwa eneo ni takriban 550 cps/µm². Afterpulsing imeonekana kuwa ya kiwango kisicho na umuhimu katika masharti ya kipimo yaliyotumika.

Kutokuwa na uhakika wa muda wa 46 ps ni muhimu hasa kwa LiDAR. Kwa kutumia ubadilishaji wa time-of-flight wa takriban 0,15 mm/ps uliotolewa katika utafiti, thamani hii inalingana na takriban kipimo cha kutokuwa na uhakika wa kina cha 6,9 mm. Katika ulinganisho wa watafiti na fasihi, timing jitter ya 940 nm ya mifano ya awali ya SPAD zinazoangaziwa kutoka nyuma ilibaki katika 100 ps au zaidi, ilhali kifaa cha utafiti huu kinashuka hadi 46 ps. Hata hivyo, ulinganisho huu unajumuisha machapisho yenye nodi tofauti za teknolojia, miundo tofauti ya pikseli na baadhi ya masharti tofauti ya kipimo; kwa hiyo ubora wa jumla wa kifaa haupaswi kuhitimishwa kwa kutumia kipimo kimoja tu cha utendaji.

Kifaa pia kilibainishwa katika halijoto kutoka −30 °C hadi 90 °C. Mgawo wa halijoto wa breakdown voltage ulipimwa kuwa takriban 13 mV/K, huku dark count rate ikiongezeka hadi takriban 34 kcps katika 90 °C. Uchambuzi wa Arrhenius ulionyesha nishati ya uanzishaji ya takriban 0,27 eV katika halijoto za chini na takriban 0,47 eV katika halijoto za juu; watafiti walihusisha hali hizi mtawalia na trap-assisted tunneling na utaratibu wa uzalishaji wa joto wa Shockley–Read–Hall unaokuwa dhahiri zaidi katika halijoto za juu.

Kwa mtazamo wa Uturuki, utafiti huu ni mfano muhimu wa fizikia ya kifaa kwa utafiti wa LiDAR ya ndani, utambuzi wa roboti, mifumo inayojitegemea, uoni wa viwandani wa 3B, uhalisia ulioboreshwa/halisi pepe na sensa za fotoni. Hata hivyo, haiwezi kuhitimishwa kuwa SPAD katika utafiti huu ni sensa tayari inayoweza kuunganishwa moja kwa moja kwenye bidhaa zilizopo za LiDAR nchini Türkiye au nchi nyingine. Kwa matumizi kamili, usanifu wa pikseli wa safu ya SPAD, mzunguko wa quenching, kibadilishaji muda-kwa-dijitali, mfumo wa macho, mikrolensi, ukandamizaji wa mwanga wa mazingira, uchakataji wa ishara, matumizi ya nguvu na uthibitishaji wa masafa kwa malengo halisi lazima pia ufanywe.

Diodi ya avalanche ya fotoni moja ni nini?

SPAD ni kiunganishi maalumu cha PN kinachoendeshwa katika mwelekeo wa reverse juu ya breakdown voltage. Hali hii ya uendeshaji huitwa Geiger mode. Fotoni moja inapounda jozi ya elektroni–shimo ndani ya silikoni, uga wa umeme wenye nguvu ya kutosha unaweza kuharakisha kibeba-chaji hicho na kuanzisha ongezeko la avalanche. Kwa njia hii, fotoni moja inaweza kubadilishwa kuwa mpigo mkubwa wa mkondo unaoweza kugunduliwa kwa urahisi kwa njia ya kielektroniki.

Baada ya avalanche kuanza, mzunguko maalumu wa quenching husimamisha mkondo na SPAD huandaliwa tena kwa ugunduzi mwingine. Kwa hiyo faida kuu ya SPAD ni uwezo wake wa kubadilisha ishara dhaifu sana za macho moja kwa moja kuwa mipigo ya kidijitali.

Kwa nini kugundua fotoni pekee hakutoshi kwa LiDAR?

Katika Time-of-flight LiDAR, mpigo mfupi wa mwanga hutumwa kwa lengo na muda wa kuwasili kwa fotoni inayorudi hupimwa. Kwa kuwa umbali wa lengo huhesabiwa kutoka muda wa kwenda na kurudi wa mwanga, kutokuwa na uhakika katika muda wa kuwasili kwa fotoni hubadilika moja kwa moja kuwa kutokuwa na uhakika wa umbali.

Upana wa usambazaji wa muda unaozalishwa na SPAD inapopima matukio yale yale ya macho huitwa timing jitter. Katika utafiti huu, utendaji unatathminiwa hasa kwa FWHM — upana kamili katika nusu ya kiwango cha juu — na FWTM — upana kamili katika moja ya kumi ya kiwango cha juu.

Kulingana na chanzo, takriban kila 1 ps ya jitter inalingana na takriban 0,15 mm ya kutokuwa na uhakika katika umbali wa LiDAR. Kwa hiyo kigunduzi cha kiwango cha 100 ps kinaweza kutoa takriban 15 mm ya kutokuwa na uhakika, huku matokeo ya watafiti ya 46 ps yakilingana na takriban 6,9 mm.

Kwa nini SPAD inayoangaziwa kutoka nyuma hutumiwa?

Katika Front-illuminated SPAD, mwanga huingia kutoka upande wa mbele ambako kuna miunganisho ya metali na tabaka mbalimbali za dielectri. Tabaka hizi zinaweza kuakisi au kufyonza sehemu ya mwanga unaoingia. Zaidi ya hayo, fotoni za karibu na infrared kama 940 nm huwa na mwelekeo wa kufyonzwa katika maeneo ya ndani zaidi ya silikoni.

Katika muundo wa Back-illuminated, mwanga huingizwa kutoka uso wa nyuma wa silikoni. Kwa hivyo miunganisho ya metali na tabaka za mizunguko za upande wa mbele hazizuii njia ya fotoni, na avalanche multiplication region (AMR) inaweza kuwekwa katika kina kinachofaa zaidi.

Hata hivyo, kuna gharama ya muundo huu. Katika miundo ya awali ya BI-SPAD, kutumia silikoni ya epitaxial yenye unene mkubwa na carrier-collection region pana ili kuongeza ufanisi wa NIR kunaweza kulazimisha kibeba-chaji kilichozalishwa na fotoni kusafiri umbali mrefu zaidi kabla ya kufikia eneo la avalanche. Vibeba-chaji vinapowasili kutoka umbali tofauti, usambazaji wa muda hupanuka na timing jitter huongezeka.

Wazo kuu la usanifu wa utafiti huu ni nini?

Watafiti wanalenga kuhifadhi ujazo wa silikoni unaohitajika kwa unyeti wa NIR huku wakifanya vibeba-chaji vifike kwenye eneo la avalanche kupitia njia fupi na zinazodhibitika kadiri iwezekanavyo.

Kwa hili, maamuzi matatu ya msingi ya usanifu yanatumika:

• Unene wa silikoni ya epitaxial umechaguliwa kuwa 4 µm.
• Carrier-collection region imewekewa kikomo kwa upande kupitia izoleshini ya deep n-well (DNW).
• Jiometri ya guard-ring imeundwa upya ili kuboresha uga wa umeme na njia ya mkondo.

Kiunganishi hai kina muundo wa P+/N-well na kipenyo cha takriban 2,5 µm. Kiwango cha juu kiasi cha doping huunda uga wenye nguvu wa umeme, na hivyo kuchangia breakdown voltage ya chini na uanzishaji wa haraka wa avalanche.

Miundo mitatu tofauti ya guard-ring ilibuniwaje?

Katika Kielelezo 2, SPAD tatu zinazotumia kiunganishi kilekile cha msingi cha P+/N-well na muundo uleule wa pikseli zinaonyeshwa. Tofauti pekee ni utekelezaji wa guard-ring.

Virtual guard ring huundwa na eneo la P-epitaxial lenye doping ndogo linalobaki kuzunguka anode ya P+ kutokana na wasifu wa retrograde DNW doping. Kwa njia hii, watafiti hudhibiti uga wa umeme katika ukingo wa junction bila kuunda P-well ya kimwili yenye kina kirefu.

Kwa nini guard ring ni muhimu?

Avalanche inayofanana inahitajika katika kitovu hai cha SPAD. Ikiwa uga wa umeme katika ukingo wa junction utaongezeka kupita kiasi, premature edge breakdown (PEB) inaweza kutokea. Katika hali kama hiyo, avalanche inaweza kuanza katika kingo badala ya eneo la katikati lililokusudiwa, na kuongeza kelele pamoja na utofauti wa utendaji.

Guard ring hupanga wasifu wa uga wa umeme katika ukingo wa junction. Lakini guard ring yenye nguvu sana au kina kikubwa sana pia inaweza kusababisha vibeba-chaji vilivyozalishwa na fotoni kuungana tena kabla ya kufikia eneo la avalanche au kufuata njia ndefu zaidi ya mkondo. Tatizo la usanifu katika utafiti huu ni kusawazisha athari hizi mbili.

Kwa nini virtual guard ring ilitoa matokeo bora?

Katika Kielelezo 3, miundo mitatu ya guard-ring inalinganishwa kwa hali zilezile kwa upande wa umeme na macho. Muundo wa VG unaonyesha saturation current ya juu zaidi na rising edge ya haraka zaidi ya mpigo wa kutoka.

Watafiti wanaeleza hili kwa njia fupi zaidi ya mkondo kati ya anode na cathode, ambayo hupunguza upinzani wa mfululizo. Mpito wa haraka zaidi wa kutoka kwa umeme husaidia kupunguza kutokuwa na uhakika wa kielektroniki katika muda wa kuanza kwa avalanche.

VG pia huruhusu vibeba-chaji vingi zaidi vilivyozalishwa na fotoni kufikia avalanche multiplication region badala ya kupotea katika eneo la guard-ring. Kwa sababu hiyo, PDP pia huwa juu kuliko katika PW1 na PW2.

Kwa upande mwingine, dark count rate ya muundo wa VG ni ya juu kuliko ya miundo mingine miwili. Kwa hiyo matokeo hayamaanishi kwamba “VG ni ya chini zaidi katika kila kipimo”. Sababu ya watafiti kuichagua ni uwiano mzuri zaidi kati ya PDP na timing jitter.

Je, uga wa umeme kweli huundwa katika eneo lililobuniwa?

Uthibitishaji haukuachwa kwa vipimo vya umeme vya I–V pekee. Utafiti unatumia mbinu tatu tofauti:

1. TCAD: usambazaji wa uga wa umeme huhesabiwa kwa namba.
2. LET: utoaji wa mwanga unaotokea wakati wa avalanche hupigwa picha.
3. LSM: leza ya 940 nm hulengwa kwenye nukta ya submicron, uso wa kifaa huchanganuliwa na idadi ya matukio ya ugunduzi huhesabiwa katika kila nafasi.

Matokeo ya TCAD katika Kielelezo 4(a) yanaonyesha kwamba chini ya 5 V excess bias, uga wenye nguvu wa umeme umejikita ndani ya avalanche multiplication region iliyobuniwa. Kutokuwepo kwa eneo lisilodhibitiwa la breakdown katika ukingo kunaunga mkono tafsiri kwamba guard-ring imekandamiza PEB.

Light emission test ilionyesha nini?

Wakati wa avalanche, kuungana tena kwa vibeba-chaji kunaweza kusababisha utoaji dhaifu wa mwanga. Katika picha za LET, excess bias inapoongezwa kutoka 1 V hadi 5 V, utoaji wa mviringo katikati huwa wenye nguvu zaidi.

Utoaji kuonekana wazi katikati na kuwa takriban wa mviringo hutoa ushahidi wa majaribio kwamba avalanche inatokea katika eneo hai lililobuniwa, si katika kingo zisizohitajika zinazozunguka junction.

Uchanganuzi wa leza ulithibitishaje eneo hai?

Katika jaribio la LSM, mwanga wa leza wa 940 nm hulengwa kwenye nukta ya submicron na kuchanganuliwa kwa raster kwenye SPAD. Matukio ya photon detection yanayozalishwa katika kila nafasi huhesabiwa.

Upana wa FWHM wa eneo la ugunduzi lililopatikana ni takriban 2,5 µm. Thamani hii inalingana kwa karibu na kipenyo cha 2,5 µm cha junction ya P+/N-well iliyobuniwa. Hivyo TCAD, LET na LSM zinaelekeza kwa hitimisho lilelile la kimwili kupitia mbinu tatu tofauti: shughuli ya avalanche imewekewa kikomo vizuri katika eneo dogo lililobuniwa.

Dark count rate ni nini?

Mpigo wa avalanche unaotokea hata bila fotoni kufika kwenye SPAD huitwa dark count. Idadi ya matukio hayo ya uongo kwa sekunde huitwa dark count rate (DCR).

Katika kifaa cha VG, DCR katika halijoto ya chumba hubaki chini ya viwango vya counts/s chache wakati excess bias ni ndogo, kisha huongezeka kadiri voltage inavyoongezeka. Chini ya 5 V excess bias hupimwa takriban 2,7 kcps.

Katika sehemu ya matokeo ya utafiti, thamani hiyo hiyo imerekebishwa kwa eneo hai na kutolewa kuwa takriban 550 cps/µm².

Je, afterpulsing ilipatikana?

Afterpulsing ni kutokea kwa avalanche ya pili ya uongo baada ya avalanche halisi kutokana na vibeba-chaji vilivyonaswa katika kasoro za silikoni kuachiliwa kwa kuchelewa. Katika matumizi ya photon-timing yenye usahihi mkubwa, tukio hili linaweza kupotosha matokeo ya kipimo.

Watafiti walipima inter-avalanche time histogram chini ya 5 V excess bias. Katika Kielelezo 5(b), hakuna ziada dhahiri ya afterpulsing inayoonekana katika masharti yaliyotumika, na utafiti unatathmini uwezekano wa afterpulsing kuwa wa kupuuzwa. Dead time inaonyeshwa kwenye grafu kuwa takriban 0,6 µs.

Halijoto inaathirije kifaa?

SPAD ilijaribiwa kutoka −30 °C hadi 90 °C kwa vipindi vya 15 °C. Breakdown voltage huongezeka takriban kwa mstari pamoja na halijoto na mgawo hupimwa kuwa takriban:

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

hupimwa.

Kutoka halijoto ya chumba hadi 90 °C, mabadiliko ya jumla ya breakdown voltage hubaki chini ya 1 V. Hata hivyo, kwa sababu uzalishaji wa vibeba-chaji wa joto huongezeka, DCR huongezeka sana pamoja na halijoto na katika 90 °C, chini ya 5 V excess bias, hufikia takriban 34 kcps.

Je, utaratibu wa kelele hubadilika pamoja na halijoto?

Grafu ya Arrhenius inaonyesha maeneo mawili tofauti ya nishati ya uanzishaji:

• Katika eneo la halijoto ya chini takriban 0,27 eV.
• Katika eneo la halijoto ya juu takriban 0,47 eV.

Kulingana na tafsiri ya watafiti, chini ya halijoto ya chumba trap-assisted tunneling ndiyo utaratibu mkuu wa kelele. Juu ya halijoto ya chumba, trap-assisted thermal generation, yaani uzalishaji wa Shockley–Read–Hall, huwa dhahiri zaidi.

PDP hupima nini hasa?

Photon Detection Probability (PDP) ni uwezekano kwamba fotoni inayoingia kwenye SPAD itaanzisha tukio la avalanche linaloweza kupimwa. Kufyonzwa kwa fotoni katika silikoni pekee hakutoshi; kibeba-chaji kinachozalishwa lazima kifike kwenye avalanche multiplication region na kuanzisha avalanche.

Kwa hiyo PDP ni matokeo ya pamoja ya michakato hii:

• kufyonzwa kwa fotoni,
• uzalishaji wa kibeba-chaji,
• kibeba-chaji kufika kwenye eneo hai,
• uwezekano wa kuanzisha avalanche.

PDP ilipimwaje?

Katika mpangilio wa jaribio wa Kielelezo 6(a), taa ya halogen yenye spektra pana hutumiwa. Mwanga kwanza hupitishwa kwenye monochromator ili kuchagua urefu wa wimbi unaotakiwa. Long-pass filter hukandamiza harmonics zisizohitajika.

Kisha integrating sphere husambaza mwanga kwa SPAD inayojaribiwa na kwa photodiode ya marejeo. Kwa kuwa photodiode ya marejeo imeunganishwa na kipimaji cha nguvu ya macho, mtiririko wa fotoni unaofika kwenye SPAD unaweza kusawazishwa. Mipigo ya umeme inayozalishwa na SPAD huhesabiwa kwenye oscilloscope na kulinganishwa na idadi ya fotoni zinazoingia ili kukokotoa PDP.

Unyeti wa spektra hubadilikaje?

PDP ilipimwa takriban katika 450–950 nm. Thamani ya juu zaidi hupatikana karibu na 650 nm. Chini ya 5 V excess bias, peak PDP ni %39,4.

Katika 940 nm, tabia ya kufyonza kwa silikoni ni tofauti, hivyo thamani ni ndogo zaidi; hata hivyo, katika urefu huu wa wimbi muhimu kwa LiDAR, PDP ni %21 chini ya 5 V excess bias.

Excess bias inapoongezeka, uga wa umeme wa junction huwa wenye nguvu zaidi na uwezekano wa kibeba-chaji kilichozalishwa kuanzisha avalanche huongezeka. Ndiyo maana PDP huongezeka kutoka %4,2 katika 1 V hadi %21 katika 5 V.

Hata hivyo, excess bias ya juu haitoi faida pekee. Kwa kuwa ongezeko lilelile la voltage pia huongeza DCR, katika usanifu wa matumizi PDP, timing jitter, kelele na mahitaji ya nguvu lazima viboreshwe kwa pamoja.

Timing jitter ilipimwaje?

Katika Kielelezo 7(a), leza ya 940 nm yenye mipigo ya picosecond hutumiwa. Neutral-density filter hupunguza nguvu ya macho ili kuzuia pile-up distortion. Mwanga usiotakiwa unaoakisiwa na kichujio hufyonzwa na beam dump.

Tokeo la SPAD huunganishwa kwenye oscilloscope yenye uwezo wa TCSPC. Kwa njia hii, muda kati ya wakati wa trigger ya leza na mpigo wa avalanche wa SPAD hupimwa kwa maelfu ya matukio ili kuunda photon-arrival-time histogram.

Timing jitter ilibadilikaje voltage ilipoongezeka?

Excess bias ilipoongezwa kutoka 1 V hadi 5 V:

Uga wa umeme wa juu huharakisha zaidi vibeba-chaji vilivyozalishwa na fotoni, hivyo usambazaji wa muda wa usafirishaji hupungua. Aidha, kutokuwa na uhakika wa kitakwimu katika muda wa kutokea kwa avalanche pia hupungua.

Kwa nini matokeo ya 46 ps yako katikati ya utafiti?

Katika Kielelezo 8, watafiti wanalinganisha kifaa chao na matokeo ya BI-SPAD yaliyochapishwa hapo awali. Timing jitter ya 940 nm ya vifaa vya awali katika ulinganisho ilikuwa takriban 100–205 ps, ilhali muundo uliopendekezwa unafikia 46 ps FWHM.

Zaidi ya hayo, breakdown voltage inabaki katika 15 V na PDP ya 940 nm inadumishwa katika %21. Kwa hiyo dai kuu la ubunifu katika utafiti si tu “jitter ya chini zaidi”; ni kuunganisha timing jitter ya chini + NIR PDP inayoweza kutumika + breakdown voltage ya chini kiasi katika muundo mmoja kompakt.

Je, PDP na PDE ni kitu kilekile?

Siyo kabisa. PDP inaeleza uwezekano wa SPAD moja kuzalisha avalanche kwa kila fotoni inayoingia. Photon detection efficiency (PDE) katika safu ya sensa inaweza pia kuathiriwa na mambo ya ziada kama geometric fill factor.

Watafiti wanasisitiza kwamba kifaa katika utafiti huu ni muundo wa majaribio wa pikseli moja. Wanajadili kwamba ikiwa katika siku zijazo effective fill factor inaweza kuletwa karibu na %100 kwa kutumia microlens, PDP iliyopimwa inaweza kuwakilisha PDE ya mfumo kwa ukaribu zaidi. Hata hivyo, safu kamili ya SPAD yenye microlens haijaonyeshwa katika utafiti huu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• SPAD inayoangaziwa kutoka nyuma iliyotengenezwa kimwili katika mchakato wa 40 nm CIS imeonyesha 46 ps FWHM timing jitter katika 940 nm.
• Katika hali hiyo hiyo ya 5 V excess bias, PDP ya 940 nm ni %21.
• Breakdown voltage ni takriban 15 V.
• Katika 650 nm, peak PDP imefikia %39,4.
• Muundo wa VG guard-ring umeonyesha uwiano bora zaidi wa PDP na timing jitter kati ya miundo mitatu iliyojaribiwa.
• Matokeo ya TCAD, LET na LSM yameunga mkono kwa mbinu zinazokamilishana kwamba eneo la avalanche limewekewa kikomo ndani ya junction hai.
• Kifaa kimebainishwa kutoka −30 °C hadi 90 °C na tabia ya breakdown na DCR inayotegemea halijoto imepimwa.
• Afterpulsing imeonekana kuwa ya kupuuzwa katika masharti ya kipimo.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• Utafiti hauonyeshi mfumo kamili wa LiDAR.
• Utendaji wa masafa marefu wa kiwango cha magari haujapimwa.
• Azimio la picha au frame rate ya safu ya kamera ya SPAD haijajaribiwa.
• Haiwezi kuhitimishwa kutoka thamani ya 46 ps kwamba mfumo mzima wa LiDAR una usahihi wa moja kwa moja wa 6,9 mm wa umbali kamili; leza, TDC, elektroniki na uchakataji wa ishara pia huchangia makosa ya mfumo.
• Utafiti haupimi matumizi ya jumla ya nguvu katika kiwango cha mfumo.
• Kwa kuwa VG huzalisha DCR ya juu zaidi, haiwezi kusemwa kuwa ndiyo suluhisho bora la guard-ring moja kwa moja kwa matumizi yote ya SPAD.
• %21 PDP haimaanishi %21 PDE ya mfumo inayojumuisha fill-factor.
• Ujumuishaji wa simu mahiri, AR/VR/XR au mobile LiDAR haujatekelezwa katika kiwango cha bidhaa ndani ya utafiti.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Teknolojia ya utengenezaji na jiometri ya msingi

Matokeo ya majaribio ya ulinganisho wa guard-ring

Matokeo haya yanaonyesha trade-off ya kawaida ya utendaji katika usanifu. Athari ya mpaka wa guard-ring inapoongezeka, kelele zinaweza kupungua lakini sehemu ya vibeba-chaji vya picha vinavyofaa pia inaweza kuelekezwa mbali na eneo la avalanche. VG huboresha PDP na timing jitter kwa kupunguza athari hii ya mpaka, lakini husababisha ongezeko la DCR.

Uthibitishaji wa TCAD, LET na LSM

Uainishaji wa kelele za umeme na halijoto

Matokeo ya ugunduzi wa macho

Utendaji wa muda

Kupungua kwa timing jitter kunaelezwa na kuongezeka kwa uga wa umeme wakati excess bias inapoongezeka, jambo linaloongeza drift velocity ya vibeba-chaji na kupunguza usambazaji wa muda wa kuanzisha avalanche.

Ulinganisho wa state-of-the-art katika Kielelezo 8 unapaswa kusomwaje?

Watafiti wanalinganisha SPAD wanayoipendekeza na miundo ya BI-SPAD iliyochapishwa hapo awali katika vipengele vitatu vikuu: breakdown voltage, 940 nm timing jitter na 940 nm PDP.

Mchanganyiko wa kifaa kilichopendekezwa umetolewa kama:

• teknolojia ya 40 nm,
• unene wa epitaxial wa 4 µm,
• carrier-collection region iliyotengwa,
• 15 V breakdown,
• %21 PDP @ 940 nm,
• 46 ps jitter @ 940 nm

.

Masharti ya vipimo vya tafiti za awali katika Kielelezo 8 hayafanani kikamilifu, na baadhi ya seli za jedwali zina maelezo ya halijoto tofauti, APDE/microlens au urefu tofauti wa wimbi. Kwa hiyo hitimisho salama zaidi kutoka katika ulinganisho ni kwamba utafiti ulipata 940 nm timing jitter ya chini sana chini ya masharti yake yenyewe ya kipimo huku ukidumisha NIR PDP katika kiwango kinachoweza kutumika.

Nguvu za majaribio za utafiti

• Miundo mitatu ya guard-ring ililinganishwa moja kwa moja katika jiometri ileile ya junction.
• Maelezo ya kimuundo hayakutegemea simuleringi pekee; TCAD, LET na LSM zilitumiwa kwa pamoja.
• PDP ilipimwa katika masafa mapana ya spektra, si katika urefu mmoja tu wa wimbi.
• Uainishaji maalumu wa muda wa LiDAR ulifanywa kwa 940 nm.
• DCR ilipimwa kulingana na halijoto kutoka −30 hadi 90 °C.
• Afterpulsing ilichunguzwa kando.
• Mbali na FWHM, FWTM inayowakilisha vizuri zaidi mkia wa usambazaji pia iliripotiwa.
• Matokeo yalilinganishwa kwa kiasi na fasihi za awali za BI-SPAD.

Mapungufu makuu ya utafiti

• Muundo uliojaribiwa ni kifaa cha uainishaji cha pikseli moja.
• Safu ya SPAD yenye azimio kubwa haijaonyeshwa katika utafiti huu.
• Sensa ya mwisho ya LiDAR iliyounganishwa na TDC, quenching na mizunguko ya uchakataji wa kidijitali haijatathminiwa.
• Vipimo vya masafa na usahihi wa kina kwa malengo halisi ya nje havijafanywa.
• Hakuna ulinganisho wa kiwango cha mfumo kwa watt au energy/photon/measurement kwa matumizi ya nguvu.
• Fill factor ya safu halisi yenye microlens haijaonyeshwa kwa majaribio.
• Thamani ya DCR ya VG ni ya juu kuliko miundo mingine ya guard-ring.
• Uzee wa muda mrefu na maisha ya kifaa hayakujumuishwa katika wigo mkuu wa uainishaji wa utafiti.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asili:Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR.

Waandishi, kwa mpangilio wa chanzo: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.

Mwandishi wa mawasiliano: Myung-Jae Lee.

Uandishi wa kwanza sawa/mchango sawa: Hakuna tamko la uandishi wa kwanza sawa au mchango sawa katika chanzo.

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

Aina ya chanzo na hali ya mapitio ya rika: Ni makala asili ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu.

Jarida:APL Photonics.

Mchapishaji: AIP Publishing.

Utambulisho wa chapisho: APL Photonics 11, 016104 (2026).

DOI: 10.1063/5.0301124.

Mchakato wa uchapishaji: Iliwasilishwa 6 Septemba 2025; ikakubaliwa 22 Desemba 2025; ikachapishwa mtandaoni 16 Januari 2026.

Mkusanyiko maalumu:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.

Kiungo rasmi:https://doi.org/10.1063/5.0301124.

Leseni: Makala imechapishwa chini ya leseni ya Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0), isipokuwa kwa maudhui yaliyobainishwa vinginevyo.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), msaada wa IITP RS-2025-02218723 unaofadhiliwa na Ministry of Science and ICT, msaada wa COMPA RS-2024-00393983 na msaada wa Technology Development Program 00507002 unaofadhiliwa na Ministry of SMEs and Startups.

Shukrani: Waandishi wanawashukuru washirika wa SK hynix, hasa Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo na Hoon-Sang Oh kwa msaada wao.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wameripoti kwamba hakuna mgongano wa maslahi unaopaswa kufichuliwa.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kuwa data inayounga mkono matokeo ya utafiti inaweza kupatikana kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano kwa ombi lenye msingi.

Michango ya waandishi: Eunsung Park alikuwa kiongozi katika conceptualization, data curation, formal analysis, investigation, validation na visualization; alikuwa na mchango sawa katika methodology na alikuwa kiongozi katika first draft. Doyoon Eom alikuwa na jukumu la kusaidia katika formal analysis na mchango sawa katika methodology. Joo-Hyun Kim alitoa mchango wa kusaidia katika investigation na validation. Woo-Young Choi alikuwa na jukumu la kusaidia katika supervision na mapitio ya maandishi. Myung-Jae Lee ametajwa kuwa kiongozi katika funding acquisition, project management, supervision na mapitio ya maandishi.

Uhusiano na kazi ya awali: Waandishi wanaeleza kwamba matokeo ya awali ya kifaa yaliripotiwa hapo awali katika 2024 IEEE International Electron Devices Meeting kwa kichwa “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications”. Makala hii ya APL Photonics inatoa uainishaji mpana zaidi wa kifaa na vipimo.

Mpaka mkuu wa kisayansi: Utafiti unaainisha kwa kina BI-SPAD halisi iliyotengenezwa kimwili; lakini hautekelezi mfumo kamili wa LiDAR au safu ya upigaji picha ya SPAD. Kwa hiyo 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown na thamani za DCR ni utendaji wa kiwango cha kifaa wa kigunduzi kimoja. Masafa ya mfumo, ubora halisi wa picha ya 3B, matumizi ya jumla ya nguvu au utendaji wa AR/VR/XR katika kiwango cha bidhaa haviwezi kutolewa moja kwa moja kutoka katika utafiti huu.

Chanzo cha maudhui ya kisayansi: Muundo wa kifaa, mipangilio ya majaribio, thamani za namba, maelezo ya vielelezo, matokeo na mapungufu katika makala hii ya Verianla yanategemea utafiti uliokaguliwa pekee. Utambulisho wa bibliografia pia umethibitishwa kupitia rekodi rasmi ya uchapishaji ya AIP Publishing.