Ин таҳқиқот диоди тармаи якфотонии бо рӯшноидиҳии қафоӣ (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD)-ро меомӯзад, ки барои муайян кардани вақти расидани фотонҳои алоҳида бо дақиқии хеле баланд дар системаҳои LiDAR ва ҳискунии амиқӣ бар асоси вақти парвоз таҳия шудааст. Муҳаққиқон ғафсии кремнийи эпитаксиалӣ, минтақаи ҷамъоварии ҳомилон ва геометрияи guard-ring-и SPAD-ро, ки бо технологияи 40 nm CMOS image sensor (CIS) сохта шудааст, махсусан барои кам кардани номуайянии вақт тарҳрезӣ кардаанд. Сохтори беҳтарин тарҳи virtual guard ring (VG) мебошад, ки дар он ба ҷойи P-well guard-ring-и ҷисмонии классикӣ минтақаи эпитаксиалии сабукдопингшуда ин вазифаро иҷро мекунад.

Дастгоҳи оптимизатсияшуда дар дарозии мавҷи наздики инфрасурхи 940 nm, ки дар системаҳои LiDAR васеъ истифода мешавад, таҳти 5 V excess bias 46 ps FWHM timing jitter ва %21 эҳтимоли ошкоркунии фотон (PDP)-ро таъмин мекунад. Breakdown voltage-и ҳамин дастгоҳ тақрибан 15 V мебошад. PDP дар минтақаи тақрибан 650 nm-и спектр ба %39,4 мерасад. Дар ҳарорати хона ва таҳти 5 V excess bias, dark count rate-и умумӣ тақрибан 2,7 kcps; натиҷаи нормализатсияшуда тақрибан 550 cps/µm² мебошад. Afterpulsing бошад, дар шароити истифодашудаи ченкунӣ дар сатҳи ночиз қарор дорад.

Номуайянии вақтии 46 ps аз нигоҳи LiDAR махсусан муҳим аст. Агар табдили вақти парвози тақрибан 0,15 mm/ps, ки дар таҳқиқот дода шудааст, истифода шавад, ин қимат ба тақрибан масштаби номуайянии амиқии 6,9 mm мувофиқат мекунад. Дар муқоисаи адабиётие, ки муҳаққиқон анҷом додаанд, timing jitter-и 940 nm барои намунаҳои қаблии SPAD-и бо рӯшноидиҳии қафоӣ 100 ps ва бештар боқӣ мондааст, дар ҳоле ки дастгоҳи ин таҳқиқот ба сатҳи 46 ps мерасад. Бо вуҷуди ин, ин муқоиса нашрияҳоеро бо гиреҳҳои гуногуни технологӣ, сохторҳои гуногуни пиксел ва баъзе шароити гуногуни ченкунӣ дар бар мегирад; аз ин рӯ танҳо аз рӯи як нишондиҳандаи фаъолият дар бораи бартарии умумии дастгоҳ хулоса баровардан дуруст нест.

Дастгоҳ инчунин дар ҳароратҳои аз −30 °C то 90 °C тавсиф шудааст. Коэффисиенти ҳароратии breakdown voltage тақрибан 13 mV/K чен шудааст, дар ҳоле ки дар 90 °C dark count rate ба сатҳи тақрибан 34 kcps баланд шудааст. Таҳлили Arrhenius дар ҳароратҳои паст тақрибан 0,27 eV ва дар ҳароратҳои баланд тақрибан 0,47 eV энергияи фаъолшавиро нишон додааст; муҳаққиқон инро мутаносибан бо trap-assisted tunneling ва механизми генератсияи гармии Shockley–Read–Hall, ки дар ҳароратҳои баландтар равшантар мешавад, алоқаманд кардаанд.

Аз нигоҳи Туркия, ин таҳқиқот барои LiDAR-и ватанӣ, ҳискунии роботӣ, системаҳои автономӣ, биниши саноатии 3Б, воқеияти афзуда/маҷозӣ ва таҳқиқоти сенсорҳои фотонӣ намунаи муҳими физикаи дастгоҳ мебошад. Аммо аз таҳқиқот набояд чунин хулоса кард, ки SPAD-и мазкур сенсори омодаест, ки бевосита ба маҳсулоти мавҷудаи LiDAR дар Туркия ё кишвари дигар насб карда мешавад. Барои татбиқи пурра бояд меъмории пикселии массиви SPAD, занҷири quenching, табдилдиҳандаи вақт-рақамӣ, системаи оптикӣ, microlens, пахши рӯшноии муҳит, коркарди сигнал, истеъмоли неру ва санҷиши масофа бо ҳадафҳои воқеӣ алоҳида анҷом дода шавад.

Диоди тармаи якфотонӣ чист?

SPAD пайванди махсуси PN мебошад, ки дар самти баръакс аз breakdown voltage боло кор мекунад. Ин реҷаи кор Geiger mode ном дорад. Вақте як фотон дар кремний ҷуфти электрон–сӯрохиро ба вуҷуд меорад, майдони электрикии кофӣ қавӣ метавонад ин ҳомилро суръат дода, афзоиши тармавиро оғоз кунад. Ҳамин тавр, як фотон метавонад ба импулси бузурги ҷараён табдил дода шавад, ки онро электронӣ ба осонӣ ошкор кардан мумкин аст.

Пас аз оғози тарма, занҷири махсуси quenching ҷараёнро қатъ мекунад ва SPAD барои ошкоркунии навбатӣ омода мешавад. Аз ин рӯ бартарии асосии SPAD қобилияти табдил додани сигналҳои оптикии ниҳоят заиф ба импулсҳои мустақими рақамӣ мебошад.

Чаро барои LiDAR танҳо ошкор кардани фотон кофӣ нест?

Дар Time-of-flight LiDAR ба ҳадаф импулси кӯтоҳи рӯшноӣ фиристода мешавад ва вақти расидани фотони баргашта чен мегардад. Азбаски масофа то ҳадаф аз рӯи вақти рафтуомади рӯшноӣ ҳисоб мешавад, номуайянии вақти расидани фотон бевосита ба номуайянии масофа табдил меёбад.

Паҳноии тақсимоти замоне, ки SPAD ҳангоми чен кардани як рӯйдоди оптикӣ тавлид мекунад, timing jitter ном дорад. Дар таҳқиқот фаъолият махсусан бо FWHM — паҳноии пурра дар нисфи максимум — ва FWTM — паҳноии пурра дар даҳяки максимум — арзёбӣ мешавад.

Мувофиқи манбаъ, тақрибан ҳар 1 ps jitter дар масофаи LiDAR ба тақрибан 0,15 mm масштаби номуайянӣ мувофиқат мекунад. Аз ин рӯ детектори сатҳи 100 ps тақрибан 15 mm номуайянӣ медиҳад, дар ҳоле ки натиҷаи 46 ps-и муҳаққиқон ба тақрибан 6,9 mm мувофиқат мекунад.

Чаро SPAD-и бо рӯшноидиҳии қафоӣ истифода мешавад?

Дар Front-illuminated SPAD рӯшноӣ аз тарафи пеш, ки дар он пайвастҳои металлӣ ва қабатҳои гуногуни диэлектрикӣ ҷойгиранд, ворид мешавад. Ин қабатҳо метавонанд қисми рӯшноии воридшударо инъикос ё фурӯ баранд. Илова бар ин, фотонҳои наздики инфрасурх мисли 940 nm майл доранд дар минтақаҳои амиқтари кремний фурӯ бурда шаванд.

Дар сохтори Back-illuminated рӯшноӣ аз сатҳи қафои кремний ворид карда мешавад. Ҳамин тавр, пайвастҳои металлӣ ва қабатҳои схемавии тарафи пеш роҳи фотонро намебанданд ва avalanche multiplication region (AMR) метавонад дар умқи мувофиқтар ҷойгир карда шавад.

Аммо ин бартарӣ паҳлӯи манфӣ ҳам дорад. Дар тарҳҳои қаблии BI-SPAD истифодаи кремнийи эпитаксиалии ғафстар ва carrier-collection region-и васеъ барои зиёд кардани самаранокии NIR метавонад боис шавад, ки ҳомили аз фотон тавлидшуда барои расидан ба минтақаи avalanche роҳи дарозтар тай кунад. Расидани ҳомилон аз масофаҳои гуногун тақсимоти вақтро васеъ карда, timing jitter-ро зиёд мекунад.

Ғояи асосии тарҳи ин таҳқиқот чист?

Муҳаққиқон кӯшиш мекунанд ҳаҷми кремнийи зарурӣ барои ҳассосияти NIR-ро нигоҳ доранд ва ҳамзамон ҳомилонро ба минтақаи avalanche бо роҳҳои ҳарчи кӯтоҳтар ва идорашаванда расонанд.

Барои ин се қарори асосии тарҳӣ татбиқ мешавад:

• Ғафсии кремнийи эпитаксиалӣ 4 µm интихоб мешавад.
• Carrier-collection region бо изолятсияи deep n-well (DNW) аз паҳлу маҳдуд карда мешавад.
• Геометрияи guard-ring барои оптимизатсияи майдони электрикӣ ва роҳи ҷараён бозтарҳрезӣ мешавад.

Пайванди фаъол сохтори P+/N-well дорад ва диаметраш тақрибан 2,5 µm мебошад. Сатҳи нисбатан баланди допинг майдони электрикии қавӣ ба вуҷуд оварда, ба breakdown voltage-и паст ва ангезиши босуръати avalanche мусоидат мекунад.

Се сохтори гуногуни guard-ring чӣ гуна тарҳрезӣ шуданд?

Дар Шакли 2 се SPAD нишон дода мешавад, ки як пайванди асосии P+/N-well ва як сохтори пикселро истифода мебаранд. Тафовут танҳо дар татбиқи guard-ring аст.

Virtual guard ring аз минтақаи P-эпитаксиалии сабукдопингшуда иборат аст, ки бинобар профили retrograde DNW doping дар атрофи аноди P+ боқӣ мемонад. Бо ин роҳ муҳаққиқон майдони электрикии канори junction-ро бе сохтани P-well-и ҷисмонии амиқи алоҳида назорат мекунанд.

Чаро guard ring лозим аст?

Дар маркази фаъоли SPAD бояд avalanche-и якхела ба вуҷуд ояд. Агар майдони электрикӣ дар канори junction аз ҳад зиёд баланд шавад, premature edge breakdown (PEB) рух дода метавонад. Дар ин ҳолат avalanche метавонад ба ҷойи минтақаи марказии пешбинишуда дар канорҳо оғоз шуда, садо ва тағйирёбии фаъолиятро зиёд кунад.

Guard ring профили майдони электрикии канори junction-ро танзим мекунад. Аммо guard ring-и аз ҳад қавӣ ё аз ҳад амиқ метавонад боис шавад, ки ҳомилони аз фотон тавлидшуда пеш аз расидан ба минтақаи avalanche рекомбинация шаванд ё роҳи дарозтари ҷараёнро тай кунанд. Масъалаи тарҳрезии ин таҳқиқот мувозинат кардани ҳамин ду таъсир аст.

Чаро virtual guard ring натиҷаи беҳтарин дод?

Дар Шакли 3 се тарҳи guard-ring дар шароити яксон аз ҷиҳати электрикӣ ва оптикӣ муқоиса мешаванд. Сохтори VG баландтарин saturation current ва босуръаттарин rising edge-и импулси баромадро нишон медиҳад.

Муҳаққиқон инро бо он шарҳ медиҳанд, ки роҳи кӯтоҳтари ҷараён байни анод ва катод муқовимати силсилавиро кам мекунад. Гузариши тезтари баромади электрикӣ ба кам кардани номуайянии электронии вақти оғози avalanche мусоидат мекунад.

VG инчунин имкон медиҳад, ки шумораи бештари ҳомилони аз фотон тавлидшуда ба ҷойи гум шудан дар минтақаи guard-ring ба avalanche multiplication region расанд. Аз ин рӯ PDP низ аз PW1 ва PW2 баландтар мебарояд.

Дар иваз, dark count rate-и сохтори VG нисбат ба ду тарҳи дигар баландтар аст. Пас натиҷа ин нест, ки “VG дар ҳар як метрика пасттарин аст”. Сабаби интихоби муҳаққиқон мувозинати беҳтар байни PDP ва timing jitter мебошад.

Оё майдони электрикӣ воқеан дар минтақаи тарҳрезишуда ба вуҷуд меояд?

Барои тасдиқи ин масъала танҳо ба ченкуниҳои электрикии I–V такя карда нашудааст. Таҳқиқот се усули гуногунро истифода мебарад:

1. TCAD: тақсимоти майдони электрикӣ ба таври ададӣ ҳисоб мешавад.
2. LET: эмиссияи рӯшноие, ки ҳангоми avalanche ба вуҷуд меояд, тасвир карда мешавад.
3. LSM: лазери 940 nm ба нуқтаи субмикронӣ фокус шуда, рӯи дастгоҳ скан карда мешавад ва дар ҳар мавқеъ шумораи рӯйдодҳои ошкоркунӣ ҳисоб мегардад.

Натиҷаи TCAD дар Шакли 4(a) нишон медиҳад, ки таҳти 5 V excess bias майдони электрикии қавӣ дар дохили avalanche multiplication region-и тарҳрезишуда мутамарказ мешавад. Набудани минтақаи breakdown-и беназорат дар канор тафсиреро дастгирӣ мекунад, ки guard-ring PEB-ро пахш кардааст.

Light emission test чӣ нишон дод?

Ҳангоми avalanche рекомбинацияи ҳомилон метавонад боиси эмиссияи заифи рӯшноӣ шавад. Дар тасвирҳои LET вақте excess bias аз 1 V то 5 V зиёд мешавад, эмиссияи даврашакли марказӣ қавитар мегардад.

Он ки эмиссия равшан дар марказ ва тақрибан даврашакл аст, далели таҷрибавӣ медиҳад, ки avalanche на дар канорҳои номатлуби атрофи junction, балки дар минтақаи фаъоли тарҳрезишуда ба вуҷуд меояд.

Сканкунии лазерӣ минтақаи фаъолро чӣ гуна тасдиқ кард?

Дар таҷрибаи LSM нури лазерии 940 nm ба нуқтаи субмикронӣ фокус шуда, дар тӯли SPAD ба таври raster скан карда мешавад. Дар ҳар мавқеъ рӯйдодҳои photon detection ҳисоб карда мешаванд.

Паҳноии FWHM-и минтақаи ошкоршуда тақрибан 2,5 µm мебошад. Ин қимат бо диаметри 2,5 µm-и junction-и P+/N-well-и тарҳрезишуда хеле мувофиқ аст. Ҳамин тавр, TCAD, LET ва LSM бо се усули гуногун ба як хулосаи физикӣ ишора мекунанд: фаъолияти avalanche дар минтақаи хурди тарҳрезишуда хуб маҳдуд шудааст.

Dark count rate чист?

Ба вуҷуд омадани импулси avalanche дар ҳолате, ки ба SPAD фотон нарасидааст, dark count ном дорад. Шумораи чунин рӯйдодҳои бардурӯғ дар як сония бо dark count rate (DCR) ифода мешавад.

Дар дастгоҳи VG, дар ҳарорати хона, вақте excess bias паст аст, DCR аз чанд counts/s камтар боқӣ мемонад ва бо зиёд шудани шиддат афзоиш меёбад. Дар 5 V excess bias тақрибан 2,7 kcps чен шудааст.

Дар бахши натиҷаҳои таҳқиқот ҳамин қимат ба майдони фаъол нормализатсия шуда, тақрибан 550 cps/µm² дода шудааст.

Afterpulsing ёфт шуд?

Afterpulsing ин ба вуҷуд омадани avalanche-и дуюми бардурӯғ баъд аз avalanche-и воқеӣ мебошад, ки аз сабаби дер озод шудани ҳомилони дар нуқсонҳои кремний ба дом афтода рух медиҳад. Дар барномаҳои дақиқи photon-timing ин падида метавонад натиҷаҳои ченкуниро вайрон кунад.

Муҳаққиқон таҳти 5 V excess bias inter-avalanche time histogram-ро чен мекунанд. Дар Шакли 5(b) дар шароити истифодашуда изофаи равшани afterpulsing дида намешавад ва таҳқиқот эҳтимоли afterpulsing-ро ночиз арзёбӣ мекунад. Дар график dead time тақрибан дар сатҳи 0,6 µs нишон дода шудааст.

Ҳарорат ба дастгоҳ чӣ гуна таъсир мерасонад?

SPAD аз −30 °C то 90 °C бо фосилаи 15 °C санҷида шудааст. Breakdown voltage бо ҳарорат тақрибан хаттӣ зиёд мешавад ва коэффисиент тақрибан:

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

чен шудааст.

Аз ҳарорати хона то 90 °C тағйироти умумии breakdown voltage камтар аз 1 V боқӣ мемонад. Баръакс, аз сабаби зиёд шудани генератсияи гармии ҳомилон DCR бо ҳарорат ҷиддан меафзояд ва дар 90 °C, таҳти 5 V excess bias, ба тақрибан 34 kcps мерасад.

Оё механизми садо бо ҳарорат тағйир меёбад?

Графики Arrhenius ду минтақаи гуногуни энергияи фаъолшавиро нишон медиҳад:

• Дар минтақаи ҳарорати паст тақрибан 0,27 eV.
• Дар минтақаи ҳарорати баланд тақрибан 0,47 eV.

Тибқи тафсири муҳаққиқон, зери ҳарорати хона trap-assisted tunneling механизми бартаридоштаи садо мебошад. Болотар аз ҳарорати хона бошад, trap-assisted thermal generation, яъне генератсияи Shockley–Read–Hall, равшантар мешавад.

PDP маҳз чиро чен мекунад?

Photon Detection Probability (PDP) эҳтимолест, ки фотони ба SPAD расида як рӯйдоди avalanche-и ченшавандаро оғоз кунад. Танҳо фурӯ бурда шудани фотон дар кремний кофӣ нест; ҳомили тавлидшуда бояд ба avalanche multiplication region расад ва avalanche-ро оғоз кунад.

Аз ин рӯ PDP натиҷаи муштараки равандҳои зерин аст:

• фурӯ бурда шудани фотон,
• тавлиди ҳомил,
• расидани ҳомил ба минтақаи фаъол,
• эҳтимоли оғоз шудани avalanche.

PDP чӣ гуна чен шуд?

Дар насби таҷрибавии Шакли 6(a) лампаи галогении спектри васеъ истифода мешавад. Рӯшноӣ аввал аз monochromator гузаронда шуда, дарозии мавҷи лозим интихоб мешавад. Long-pass filter гармоникаҳои номатлубро пахш мекунад.

Сипас integrating sphere рӯшноиро ҳам ба SPAD-и санҷидашаванда ва ҳам ба фотодиоди истинодӣ тақсим мекунад. Азбаски фотодиоди истинодӣ ба ченкунаки қувваи оптикӣ пайваст аст, ҷараёни фотонҳое, ки ба SPAD мерасанд, калибр карда мешавад. Импулсҳои электрикии SPAD дар оссилоскоп ҳисоб шуда, бо шумораи фотонҳои воридшуда муқоиса мешаванд ва PDP ҳисоб мегардад.

Ҳассосияти спектрӣ чӣ гуна тағйир меёбад?

PDP тақрибан дар фосилаи 450–950 nm чен шудааст. Қимати баландтарин тақрибан дар 650 nm гирифта мешавад. Таҳти 5 V excess bias peak PDP ба %39,4 мерасад.

Дар 940 nm рафтори фурӯбарии кремний дигар аст, бинобар ин қимат пасттар мебошад, вале дар ҳамин дарозии мавҷи муҳим барои LiDAR, таҳти 5 V excess bias, PDP %21 мебошад.

Бо зиёд шудани excess bias майдони электрикии junction қавитар мешавад ва эҳтимоли оғоз кардани avalanche аз ҷониби ҳомили тавлидшуда меафзояд. Аз ҳамин сабаб PDP аз %4,2 дар 1 V то %21 дар 5 V боло меравад.

Аммо excess bias-и баланд танҳо бартарӣ намедиҳад. Азбаски ҳамон афзоиши шиддат DCR-ро ҳам зиёд мекунад, дар тарҳи амалӣ PDP, timing jitter, садо ва талаботи неру бояд якҷоя оптимизатсия шаванд.

Timing jitter чӣ гуна чен шуд?

Дар Шакли 7(a) лазери импулсии пикосониягии 940 nm истифода мешавад. Neutral-density filter қувваи оптикиро паст карда, pile-up distortion-ро пешгирӣ мекунад. Рӯшноии номатлубе, ки аз филтр инъикос мешавад, аз ҷониби beam dump фурӯ бурда мешавад.

Баромади SPAD ба оссилоскопе бо қобилияти TCSPC пайваст мешавад. Ҳамин тавр, фосилаи вақт байни лаҳзаи ангезиши лазер ва импулси avalanche-и SPAD барои ҳазорҳо рӯйдод чен шуда, photon-arrival-time histogram сохта мешавад.

Бо зиёд шудани шиддат timing jitter чӣ гуна тағйир ёфт?

Ҳангоми зиёд кардани excess bias аз 1 V то 5 V:

Майдони электрикии баланд ҳомилони аз фотон тавлидшударо тезтар ҳаракат медиҳад, аз ин рӯ тақсимоти вақти интиқол тангтар мешавад. Илова бар ин, номуайянии омории вақти пайдоиши avalanche низ кам мегардад.

Чаро натиҷаи 46 ps дар маркази таҳқиқот аст?

Дар Шакли 8 муҳаққиқон дастгоҳи худро бо натиҷаҳои қаблан нашршудаи BI-SPAD муқоиса мекунанд. Дар дастгоҳҳои қаблии муқоисашуда timing jitter-и 940 nm тақрибан дар доираи 100–205 ps буд, дар ҳоле ки сохтори пешниҳодшуда ба 46 ps FWHM мерасад.

Илова бар ин, breakdown voltage дар сатҳи 15 V нигоҳ дошта мешавад ва PDP дар 940 nm дар %21 мемонад. Аз ин рӯ даъвои асосии навоварии таҳқиқот танҳо “пасттарин jitter” нест; балки якҷо кардани timing jitter-и паст + NIR PDP-и қобили истифода + breakdown voltage-и нисбатан паст дар як сохтори паймон мебошад.

Оё PDP ва PDE як чизанд?

Комилан не. PDP эҳтимоли он аст, ки як SPAD барои ҳар фотони воридшуда avalanche тавлид кунад. Photon detection efficiency (PDE) дар массиви сенсор бошад метавонад аз омилҳои иловагӣ, мисли fill factor-и геометрӣ, таъсир гирад.

Муҳаққиқон махсус қайд мекунанд, ки дастгоҳи ин таҳқиқот сохтори санҷишии якпикселӣ аст. Онҳо баррасӣ мекунанд, ки агар дар оянда бо microlens fill factor-и самаранок ба тақрибан %100 наздик карда шавад, PDP-и ченшуда метавонад PDE-и системаро наздиктар ифода кунад. Аммо дар ин таҳқиқот чунин массиви пурраи SPAD бо microlens нишон дода нашудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• SPAD-и бо рӯшноидиҳии қафоӣ, ки бо раванди 40 nm CIS воқеан сохта шудааст, дар 940 nm 46 ps FWHM timing jitter нишон додааст.
• Дар ҳамон шароити 5 V excess bias, PDP дар 940 nm %21 мебошад.
• Breakdown voltage тақрибан 15 V аст.
• Дар 650 nm peak PDP ба %39,4 расидааст.
• Тарҳи VG guard-ring дар байни се сохтори санҷидашуда аз ҷиҳати мувозинати PDP ва timing jitter беҳтарин буд.
• Натиҷаҳои TCAD, LET ва LSM бо усулҳои якдигарро пуркунанда маҳдуд будани минтақаи avalanche-ро дар дохили junction-и фаъол дастгирӣ кардаанд.
• Дастгоҳ аз −30 °C то 90 °C тавсиф шуда, рафтори breakdown ва DCR вобаста ба ҳарорат чен шудааст.
• Дар шароити ченкунӣ afterpulsing ночиз ёфт шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таҳқиқот системаи тайёри LiDAR-ро нишон намедиҳад.
• Фаъолияти масофаи дури дараҷаи автомобилӣ чен нашудааст.
• Қобилияти тафриқаи тасвир ё суръати кадри массиви камераи SPAD санҷида нашудааст.
• Аз қимати 46 ps наметавон хулоса кард, ки тамоми системаи LiDAR бевосита 6,9 mm дақиқии мутлақи масофа дорад; лазер, TDC, электроника ва коркарди сигнал ҳам ба хатои система саҳм мегузоранд.
• Таҳқиқот истеъмоли умумии неруро дар сатҳи система чен намекунад.
• Азбаски VG DCR-и баландтар ба вуҷуд меорад, наметавон гуфт, ки он барои ҳамаи барномаҳои SPAD худкор беҳтарин ҳалли guard-ring аст.
• %21 PDP маънои %21 PDE-и система бо ҳисоб кардани fill-factor-ро надорад.
• Интегратсияи смартфон, AR/VR/XR ё LiDAR-и мобилӣ дар сатҳи маҳсулот дар доираи таҳқиқот амалӣ нашудааст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Технологияи истеҳсол ва геометрияи асосӣ

Натиҷаи таҷрибавии муқоисаи guard-ring

Ин натиҷа дар тарҳ як созиши классикии фаъолиятро нишон медиҳад. Бо қавитар шудани таъсири сарҳадии guard-ring садо метавонад кам шавад, аммо қисми ҳомилони муфиди фотоӣ низ метавонад аз минтақаи avalanche дур карда шавад. VG бо кам кардани ин таъсири сарҳадӣ PDP ва timing jitter-ро беҳтар мекунад, аммо боиси зиёд шудани DCR мегардад.

Тасдиқи TCAD, LET ва LSM

Тавсифи садои электрикӣ ва ҳарорат

Натиҷаҳои ошкоркунии оптикӣ

Фаъолияти вақтӣ

Кам шудани timing jitter бо он шарҳ дода мешавад, ки бо зиёд шудани excess bias майдони электрикӣ қавитар мегардад, суръати drift-и ҳомилон меафзояд ва тақсимоти вақти ангезиши avalanche танг мешавад.

Муқоисаи state-of-the-art дар Шакли 8-ро чӣ гуна бояд хонд?

Муҳаққиқон SPAD-и пешниҳодкардаи худро бо сохторҳои қаблан нашршудаи BI-SPAD аз рӯи се меҳвари асосӣ муқоиса мекунанд: breakdown voltage, 940 nm timing jitter ва 940 nm PDP.

Комбинатсияи дастгоҳи пешниҳодшуда:

• технологияи 40 nm,
• ғафсии эпитаксиалии 4 µm,
• carrier-collection region-и изолятсияшуда,
• 15 V breakdown,
• %21 PDP @ 940 nm,
• 46 ps jitter @ 940 nm

дода шудааст.

Шароити ченкунии корҳои қаблӣ дар Шакли 8 комилан яксон нест ва дар баъзе ҳуҷайраҳои ҷадвал эзоҳҳо оид ба ҳарорати гуногун, APDE/microlens ё дарозии мавҷи дигар мавҷуданд. Аз ин рӯ хулосаи аз ҳама боэътимоди муқоиса ин аст, ки таҳқиқот дар шароити ченкунии худ timing jitter-и хеле пасти 940 nm гирифтааст ва ҳамзамон NIR PDP-ро дар сатҳи қобили истифода нигоҳ доштааст.

Ҷиҳатҳои қавии таҷрибавии таҳқиқот

• Се тарҳи guard-ring дар як геометрияи junction бевосита муқоиса шудаанд.
• Шарҳи сохторӣ танҳо ба симулятсия такя намекунад; TCAD, LET ва LSM якҷоя истифода шудаанд.
• PDP на танҳо дар як дарозии мавҷ, балки дар диапазони васеи спектрӣ чен шудааст.
• Барои 940 nm тавсифи махсуси вақтии LiDAR анҷом дода шудааст.
• DCR вобаста ба ҳарорат аз −30 то 90 °C чен шудааст.
• Afterpulsing алоҳида омӯхта шудааст.
• Ғайр аз FWHM, FWTM низ гузориш шудааст, ки думи тақсимотро беҳтар инъикос мекунад.
• Натиҷаҳо бо адабиёти қаблии BI-SPAD ба таври миқдорӣ муқоиса шудаанд.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот

• Сохтори санҷидашуда дастгоҳи тавсифии якпикселӣ мебошад.
• Массиви SPAD-и ҳалли баланд дар ин таҳқиқот нишон дода нашудааст.
• Сенсори ниҳоии LiDAR, ки бо TDC, quenching ва схемаҳои коркарди рақамӣ ҳамгиро шудааст, арзёбӣ нашудааст.
• Санҷиши масофа ва дақиқии амиқӣ дар ҳадафҳои воқеии берунӣ анҷом дода нашудааст.
• Барои истеъмоли неру муқоисаи сатҳи система бо watt ё энергия/фотон/ченкунӣ пешниҳод нашудааст.
• Fill factor-и воқеии массиви дорои microlens таҷрибавӣ нишон дода нашудааст.
• Қимати DCR-и VG аз тарҳҳои дигари guard-ring баландтар аст.
• Пиршавии дарозмуддат ва умри дастгоҳ ба доираи асосии тавсифи таҳқиқот дохил нашудааст.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот:Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR.

Муаллифон, бо тартиби манбаъ: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.

Муаллифи масъул: Myung-Jae Lee.

Муаллифи якуми баробар/саҳми баробар: Дар манбаъ изҳороти муаллифи якуми баробар ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

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

Навъи манбаъ ва ҳолати peer review: Мақолаи аслии таҳқиқотии peer-reviewed мебошад.

Маҷалла:APL Photonics.

Ношир: AIP Publishing.

Шиносаи нашр: APL Photonics 11, 016104 (2026).

DOI: 10.1063/5.0301124.

Раванди нашр: Ирсол 6 сентябри 2025; қабул 22 декабри 2025; нашри онлайн 16 январи 2026.

Маҷмӯаи махсус:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.

Пайванди расмӣ:https://doi.org/10.1063/5.0301124.

Иҷозатнома: Мақола, ғайр аз маводе, ки ҷудогона нишон дода шудааст, зери иҷозатномаи Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) нашр шудааст.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз ҷониби Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), дастгирии IITP RS-2025-02218723, ки аз ҷониби Ministry of Science and ICT маблағгузорӣ мешавад, дастгирии COMPA RS-2024-00393983 ва дастгирии Technology Development Program 00507002, ки аз ҷониби Ministry of SMEs and Startups маблағгузорӣ мешавад, пуштибонӣ шудааст.

Сипосгузорӣ: Муаллифон ба ҳамкорони SK hynix, махсусан Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo ва Hoon-Sang Oh барои дастгирӣ сипос гуфтаанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиате барои ифшо вуҷуд надорад.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маълумоти пуштибонандаи натиҷаҳои таҳқиқот бо дархости асоснок аз муаллифи масъул дастрас аст.

Саҳми муаллифон: Eunsung Park дар conceptualization, data curation, formal analysis, investigation, validation ва visualization роҳбар; дар methodology саҳми баробар дошта ва дар first draft роҳбар будааст. Doyoon Eom дар formal analysis нақши дастгиркунанда ва дар methodology саҳми баробар доштааст. Joo-Hyun Kim дар investigation ва validation саҳми дастгиркунанда гузоштааст. Woo-Young Choi дар supervision ва review-и матн нақши дастгиркунанда доштааст. Myung-Jae Lee дар funding acquisition, project management, supervision ва review-и матн ҳамчун роҳбар эълом шудааст.

Пайванд ба кори қаблӣ: Муаллифон мегӯянд, ки натиҷаҳои ибтидоии дастгоҳ қаблан дар 2024 IEEE International Electron Devices Meeting бо унвони “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications” гузориш шуда буданд. Ин мақолаи APL Photonics тавсифи васеътарини дастгоҳ ва ченкуниро пешниҳод мекунад.

Сарҳади асосии илмӣ: Таҳқиқот BI-SPAD-и воқеӣ ва ҷисмонӣ сохташударо ба таври фарогир тавсиф мекунад; аммо системаи пурраи LiDAR ё массиви тасвирбардории SPAD-ро амалӣ намекунад. Аз ин рӯ 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown ва DCR нишондиҳандаҳои сатҳи дастгоҳи як детектор мебошанд. Масофаи система, сифати воқеии тасвири 3Б, истеъмоли умумии неру ё фаъолияти сатҳи маҳсулоти AR/VR/XR аз ин таҳқиқот бевосита бароварда намешавад.

Манбаи муҳтавои илмӣ: Сохтори дастгоҳ, насбҳои таҷрибавӣ, қиматҳои ададӣ, шарҳҳои шакл, натиҷаҳо ва маҳдудиятҳо дар ин мақолаи Verianla танҳо ба таҳқиқоти баррасишуда асос ёфтаанд. Шиносаи библиографӣ инчунин бо сабти расмии нашри AIP Publishing тасдиқ шудааст.