Ushbu tadqiqot LiDAR va uchish-vaqti asosidagi chuqurlikni sezish tizimlarida alohida fotonlarning kelish vaqtini juda yuqori aniqlikda belgilash uchun ishlab chiqilgan orqa tomondan yoritiladigan bir-fotonli koʻchki diodini (back-illuminated single-photon avalanche diode, BI-SPAD) oʻrganadi. Tadqiqotchilar 40 nm CMOS tasvir sensori (CIS) texnologiyasida ishlab chiqargan SPADning epitaksial kremniy qalinligini, tashuvchilarni yigʻish hududini va guard-ring geometriyasini ayniqsa vaqt belgisidagi noaniqlikni kamaytiradigan qilib loyihalagan. Eng yaxshi tuzilma klassik fizik P-well guard-ring oʻrniga yengil legirlangan epitaksial hudud shu vazifani bajaradigan virtual guard ring (VG) dizaynidir.
Optimallashtirilgan qurilma LiDAR tizimlarida keng qoʻllanadigan 940 nm yaqin infraqizil toʻlqin uzunligida, 5 V excess bias ostida 46 ps FWHM timing jitter va %21 fotonni aniqlash ehtimoli (PDP)ni taʼminlaydi. Shu qurilmaning breakdown kuchlanishi taxminan 15 V. PDP spektrning taxminan 650 nm hududida %39,4 ga yetadi. Xona haroratida 5 V excess bias ostida umumiy dark count rate taxminan 2,7 kcps; normallashtirilgan natija esa taxminan 550 cps/µm². Afterpulsing qoʻllangan oʻlchash sharoitlarida eʼtiborga olinmaydigan darajada topilgan.
46 ps vaqt noaniqligi LiDAR nuqtayi nazaridan ayniqsa muhim. Tadqiqotda berilgan taxminiy 0,15 mm/ps uchish-vaqti oʻzgartirish koeffitsiyenti qoʻllanganda, bu qiymat taxminan 6,9 mm chuqurlik noaniqligi masshtabiga mos keladi. Tadqiqotchilarning adabiyotlar bilan taqqoslashida avvalgi orqa tomondan yoritiladigan SPAD namunalarining 940 nm dagi timing jitter qiymatlari 100 ps va undan yuqori boʻlib qolgan, ushbu ishdagi qurilma esa 46 ps darajasiga tushadi. Biroq bu taqqoslash turli texnologik tugunlar, piksel tuzilmalari va ayrim hollarda turli oʻlchash sharoitlaridagi nashrlarni oʻz ichiga oladi; shu sababli faqat bitta ishlash koʻrsatkichidan qurilmaning umumiy ustunligi haqida xulosa chiqarilmasligi kerak.
Qurilma −30 °C dan 90 °C gacha boʻlgan haroratlarda ham tavsiflangan. Breakdown kuchlanishining harorat koeffitsiyenti taxminan 13 mV/K deb oʻlchangan, 90 °C da dark count rate esa taxminan 34 kcps darajasigacha koʻtarilgan. Arrhenius tahlili past haroratlarda taxminan 0,27 eV, yuqori haroratlarda esa taxminan 0,47 eV aktivatsiya energiyasini koʻrsatgan; tadqiqotchilar buni mos ravishda trap-assisted tunneling va yuqori haroratlarda yaqqolroq boʻladigan Shockley–Read–Hall termik generatsiya mexanizmlari bilan bogʻlagan.
Turkiya nuqtayi nazaridan tadqiqot mahalliy LiDAR, robotik sezish, avtonom tizimlar, sanoat 3B koʻrish, kengaytirilgan/virtual reallik va fotonik sensor tadqiqotlari uchun muhim qurilma fizikasi misolidir. Biroq tadqiqotdagi SPADni Turkiyadagi yoki boshqa mamlakatdagi mavjud LiDAR mahsulotlariga toʻgʻridan-toʻgʻri oʻrnatish mumkin boʻlgan tayyor sensor deb xulosa qilish mumkin emas. Toʻliq amaliyot uchun SPAD massivining piksel arxitekturasi, quenching sxemasi, vaqt-raqamli oʻzgartirgich, optik tizim, mikrolinza, fon yorugʻligini bostirish, signalni qayta ishlash, quvvat sarfi va real nishonlar bilan masofani tekshirish alohida bajarilishi kerak.
Bir-fotonli koʻchki diodi nima?
SPAD teskari yoʻnalishda breakdown kuchlanishidan yuqorida ishlatiladigan maxsus PN birikmasidir. Bu ishlash rejimi Geiger rejimi deb ataladi. Bitta foton kremniy ichida elektron–teshik juftini hosil qilganda, yetarlicha kuchli elektr maydoni bu tashuvchini tezlashtirib, koʻchki koʻpayishini boshlashi mumkin. Shu tariqa bitta foton elektron jihatdan oson aniqlanadigan katta tok impulsiga aylantirilishi mumkin.
Koʻchki boshlanganidan soʻng maxsus quenching sxemasi tokni toʻxtatadi va SPAD qayta aniqlashga tayyorlanadi. Shu sababli SPADning asosiy afzalligi nihoyatda kuchsiz optik signallarni bevosita raqamli impulslarga aylantira olishidir.
LiDAR uchun faqat fotonni aniqlash nega yetarli emas?
Time-of-flight LiDARda nishonga qisqa yorugʻlik impulsi yuboriladi va qaytgan fotonning kelish vaqti oʻlchanadi. Nishongacha masofa yorugʻlikning borib-qaytish vaqtiga qarab hisoblangani uchun foton kelish vaqtidagi noaniqlik bevosita masofa noaniqligiga aylanadi.
SPAD bir xil optik hodisalarni oʻlchaganda hosil qiladigan vaqt taqsimotining kengligi timing jitter deb ataladi. Tadqiqotda ishlash ayniqsa FWHM — taqsimotning yarim maksimumdagi toʻliq kengligi — va FWTM — oʻndan bir maksimumdagi toʻliq kengligi — orqali baholanadi.
Manbaga koʻra, taxminan har 1 ps jitter LiDAR masofasida taxminan 0,15 mm noaniqlik masshtabiga mos keladi. Shu sababli 100 ps darajasidagi detektor taxminan 15 mm masshtabidagi noaniqlik hosil qilsa, tadqiqotchilarning 46 ps natijasi taxminan 6,9 mm masshtabiga mos keladi.
Orqa tomondan yoritiladigan SPAD nega qoʻllanadi?
Front-illuminated SPADda yorugʻlik metall ulanishlar va turli dielektrik qatlamlar joylashgan old tomondan kiradi. Bu qatlamlar kelayotgan yorugʻlikning bir qismini qaytarishi yoki yutishi mumkin. Bundan tashqari, 940 nm kabi yaqin infraqizil fotonlar kremniyning chuqurroq hududlarida yutilishga moyil.
Back-illuminated tuzilmada yorugʻlik kremniyning orqa yuzasidan yuboriladi. Shu tariqa old tomondagi metall ulanishlar va sxema qatlamlari foton yoʻlini toʻsmaydi va avalanche multiplication region (AMR) qulayroq chuqurlikda joylashtirilishi mumkin.
Biroq buning oʻz narxi bor. Avvalgi BI-SPAD dizaynlarida NIR samaradorligini oshirish uchun qalinroq epitaksial kremniy va keng carrier-collection region qoʻllanishi foton hosil qilgan tashuvchining avalanche hududiga yetib borishi uchun uzoqroq yoʻl bosishiga olib kelishi mumkin. Tashuvchilarning turli masofalardan kelishi vaqt taqsimotini kengaytirib, timing jitterni oshiradi.
Ushbu tadqiqotning asosiy dizayn gʻoyasi nima?
Tadqiqotchilar NIR sezgirligi uchun zarur kremniy hajmini saqlagan holda tashuvchilarning avalanche hududiga imkon qadar qisqa va boshqariladigan yoʻllar orqali yetib borishini maqsad qilgan.
Buning uchun uchta asosiy dizayn qarori qoʻllanadi:
- Epitaksial kremniy qalinligi 4 µm qilib tanlanadi.
- Carrier-collection region deep n-well (DNW) izolyatsiyasi bilan yon tomondan cheklanadi.
- Guard-ring geometriyasi elektr maydoni va tok yoʻlini optimallashtiradigan tarzda qayta loyihalanadi.
Faol birikma P+/N-well tuzilmasida boʻlib, diametri taxminan 2,5 µm. Nisbatan yuqori legirlash darajasi kuchli elektr maydoni hosil qilib, past breakdown kuchlanishi va tez avalanche ishga tushishiga hissa qoʻshadi.
Uch xil guard-ring tuzilmasi qanday loyihalangan?
2-shaklda bir xil asosiy P+/N-well birikmasi va bir xil piksel tuzilmasidan foydalanadigan uchta SPAD koʻrsatilgan. Farq faqat guard-ring qoʻllanishidadir.
| Tuzilma | Guard-ring | Manbada berilgan asosiy xususiyat |
|---|---|---|
| Structure 1 | PW1 | 1 µm kenglikdagi chuqurroq P-well; katoddan 0,5 µm boʻshliq |
| Structure 2 | PW2 | Xuddi shu kenglik va boʻshliqda sayozroq P-well |
| Structure 3 | VG | Taxminan 1,5 µm kenglikdagi yengil legirlangan P-epi hududi hosil qilgan virtual guard ring |
Virtual guard ring retrograde DNW legirlash profili sababli P+ anod atrofida qoladigan yengil legirlangan P-epitaksial hududdan tashkil topadi. Tadqiqotchilar shu yoʻl bilan alohida chuqur fizik P-well hosil qilmasdan junction chetidagi elektr maydonini boshqaradi.
Guard ring nega kerak?
SPADning faol markazida bir tekis avalanche hosil boʻlishi kerak. Junction chetida elektr maydoni haddan tashqari kuchaysa, premature edge breakdown (PEB) yuz berishi mumkin. Bunday holatda avalanche kerakli markaziy hudud oʻrniga chetlarda boshlanishi va shovqin hamda ishlashdagi oʻzgaruvchanlik oshishi mumkin.
Guard ring junction chetidagi elektr maydon profilini tartibga soladi. Ammo juda kuchli yoki juda chuqur guard ring foton hosil qilgan tashuvchilarning avalanche hududiga yetib bormasdan rekombinatsiyalanishiga yoki uzunroq tok yoʻlidan oʻtishiga ham olib kelishi mumkin. Tadqiqotdagi dizayn muammosi ana shu ikki taʼsirni muvozanatlashdir.
Nega virtual guard ring eng yaxshi natija berdi?
3-shaklda uchta guard-ring dizayni bir xil sharoitda elektr va optik jihatdan taqqoslanadi. VG tuzilmasi eng yuqori saturation current qiymatini va chiqish impulsining eng tez rising edgeini koʻrsatadi.
Tadqiqotchilar buni anod bilan katod orasidagi qisqaroq tok yoʻli ketma-ket qarshilikni kamaytirishi bilan izohlaydi. Tezroq elektr chiqish oʻtishi avalanche boshlanish vaqtiga oid elektron noaniqlikni kamaytirishga yordam beradi.
VG shuningdek foton hosil qilgan koʻproq tashuvchining guard-ring hududida yoʻqolish oʻrniga avalanche multiplication regionga yetib borishini taʼminlaydi. Natijada PDP ham PW1 va PW2nikidan yuqori chiqadi.
Buning evaziga VG tuzilmasining dark count ratei boshqa ikki dizaynga qaraganda yuqori. Demak, natija “VG har bir metrikada eng past” degani emas. Tadqiqotchilar uni PDP bilan timing jitter oʻrtasidagi qulayroq muvozanat sababli tanlagan.
Elektr maydoni haqiqatan ham loyihalangan hududda hosil boʻladimi?
Buni tekshirish faqat elektr I–V oʻlchovlariga qoldirilmagan. Tadqiqot uch xil usuldan foydalanadi:
- TCAD: elektr maydon taqsimoti sonli ravishda hisoblanadi.
- LET: avalanche paytida hosil boʻladigan yorugʻlik emissiyasi tasvirlanadi.
- LSM: 940 nm lazer submikron nuqtaga fokuslanib, qurilma yuzasi boʻylab skanerlanadi va har bir joyda aniqlash hodisalari soni sanaladi.
4(a)-shakldagi TCAD natijasi 5 V excess bias ostida kuchli elektr maydoni loyihalangan avalanche multiplication region ichida toʻplanganini koʻrsatadi. Chetda nazoratsiz breakdown hududi koʻrinmasligi guard-ring PEBni bostirgan degan talqinni qoʻllab-quvvatlaydi.
Light emission test nimani koʻrsatdi?
Avalanche paytida tashuvchilar rekombinatsiyasi kuchsiz yorugʻlik emissiyasiga sabab boʻlishi mumkin. LET tasvirlarida excess bias 1 V dan 5 V gacha oshirilganda markazdagi doirasimon emissiya kuchayadi.
Emissiyaning aniq markazda va taxminan doirasimon boʻlishi avalanche junction atrofidagi nomaqbul chetlarda emas, balki loyihalangan faol hududda yuz berayotganiga eksperimental dalil beradi.
Lazer skaneri faol hududni qanday tasdiqladi?
LSM tajribasida 940 nm lazer nuri submikron nuqtaga fokuslanib, SPAD boʻylab raster tarzda skanerlanadi. Har bir joyda hosil boʻlgan photon detection hodisalari sanaladi.
Olingan aniqlash hududining FWHM kengligi taxminan 2,5 µm. Bu qiymat loyihalangan P+/N-well junctionning 2,5 µm diametri bilan juda mos keladi. Shunday qilib, TCAD, LET va LSM uch xil usul bilan bir xil fizik xulosaga ishora qiladi: avalanche faolligi loyihalangan kichik hududda yaxshi chegaralangan.
Dark count rate nima?
SPADga foton kelmagan boʻlsa ham avalanche impulsi hosil boʻlishi dark count deb ataladi. Bir soniyadagi bunday notoʻgʻri hodisalar soni dark count rate (DCR) bilan ifodalanadi.
VG qurilmasida xona haroratida DCR excess bias past boʻlganda bir necha counts/s darajasidan past qoladi, kuchlanish oshgani sayin esa koʻpayadi. 5 V excess bias ostida taxminan 2,7 kcps oʻlchanadi.
Tadqiqotning natijalar boʻlimida shu qiymat faol maydonga normallashtirilib, taxminan 550 cps/µm² deb berilgan.
Afterpulsing topildimi?
Afterpulsing haqiqiy avalanche hodisasidan keyin kremniy nuqsonlarida tutib qolingan tashuvchilarning kechikib boʻshashi natijasida soxta ikkinchi avalanche yuz berishidir. Yuqori aniqlikdagi photon-timing ilovalarida bu hodisa oʻlchash natijalarini buzishi mumkin.
Tadqiqotchilar 5 V excess bias ostida inter-avalanche time histogramini oʻlchaydi. 5(b)-shaklda qoʻllangan sharoitlarda yaqqol afterpulsing ortiqchaligi koʻrinmaydi va tadqiqot afterpulsing ehtimolini eʼtiborga olinmaydigan deb baholaydi. Grafikda dead time taxminan 0,6 µs darajasida koʻrsatilgan.
Harorat qurilmaga qanday taʼsir qiladi?
SPAD −30 °C dan 90 °C gacha 15 °C qadamlar bilan sinovdan oʻtkazilgan. Breakdown voltage harorat bilan taxminan chiziqli oshadi va koeffitsiyent taxminan:
\[ 13\;\mathrm{mV/K} \]
deb oʻlchanadi.
Xona haroratidan 90 °C gacha umumiy breakdown kuchlanishi oʻzgarishi 1 V dan kam qoladi. Biroq termik tashuvchi generatsiyasi oshgani sababli DCR harorat bilan jiddiy koʻpayadi va 90 °C da, 5 V excess bias sharoitida taxminan 34 kcps darajasiga yetadi.
Shovqin mexanizmi harorat bilan oʻzgaradimi?
Arrhenius grafigi ikki xil aktivatsiya energiyasi hududini koʻrsatadi:
- Past harorat hududida taxminan 0,27 eV.
- Yuqori harorat hududida taxminan 0,47 eV.
Tadqiqotchilar talqiniga koʻra, xona haroratidan pastda trap-assisted tunneling ustun shovqin mexanizmidir. Xona haroratidan yuqorida esa trap-assisted thermal generation, yaʼni Shockley–Read–Hall generatsiyasi yanada yaqqol boʻladi.
PDP aynan nimani oʻlchaydi?
Photon Detection Probability (PDP) SPADga tushgan fotonning oʻlchanadigan avalanche hodisasini ishga tushirish ehtimolidir. Fotonning kremniyda yutilishi oʻzi yetarli emas; hosil boʻlgan tashuvchi avalanche multiplication regionga yetib borishi va avalanche jarayonini boshlashi kerak.
Shu sababli PDP quyidagi jarayonlarning birgalikdagi natijasidir:
- fotonning yutilishi,
- tashuvchi hosil boʻlishi,
- tashuvchining faol hududga yetib borishi,
- avalanche boshlanish ehtimoli.
PDP qanday oʻlchandi?
6(a)-shakldagi tajriba qurilmasida keng spektrli galogen lampa ishlatiladi. Yorugʻlik avval monochromatordan oʻtkazilib, kerakli toʻlqin uzunligi tanlanadi. Long-pass filtr istalmagan garmonikalarni bostiradi.
Soʻng integrating sphere yorugʻlikni ham sinovdagi SPADga, ham etalon fotodiodga taqsimlaydi. Etalon fotodiod optik quvvat oʻlchagichiga ulanganligi sababli SPADga yetib keladigan foton oqimi kalibrlanishi mumkin. SPAD hosil qilgan elektr impulslar osiloskopda sanaladi va kelgan fotonlar soni bilan taqqoslanib PDP hisoblanadi.
Spektral sezgirlik qanday oʻzgaradi?
PDP taxminan 450–950 nm oraligʻida oʻlchangan. Eng yuqori qiymat taxminan 650 nm atrofida olinadi. 5 V excess bias ostida choʻqqi PDP %39,4 ni tashkil qiladi.
940 nm da kremniyning yutilish xususiyati boshqacha boʻlgani uchun qiymat pastroq, biroq LiDAR uchun muhim boʻlgan ushbu toʻlqin uzunligida 5 V excess bias ostida PDP %21 dir.
Excess bias oshgani sayin junction elektr maydoni kuchayadi va hosil boʻlgan tashuvchining avalanche jarayonini boshlash ehtimoli ortadi. Shuning uchun PDP 1 V dagi %4,2 dan 5 V dagi %21 gacha koʻtariladi.
Biroq yuqori excess bias faqat afzallik bermaydi. Xuddi shu kuchlanish oshishi DCRni ham koʻpaytirgani uchun amaliy dizaynda PDP, timing jitter, shovqin va quvvat talabi birgalikda optimallashtirilishi kerak.
Timing jitter qanday oʻlchandi?
7(a)-shaklda 940 nm pikosoniyali impulsli lazer ishlatiladi. Neutral-density filtr optik quvvatni kamaytirib, pile-up buzilishini oldini oladi. Filtrdan qaytgan nomaqbul yorugʻlik beam dump tomonidan yutiladi.
SPAD chiqishi TCSPC xususiyatiga ega osiloskopga ulanadi. Shu tariqa lazer ishga tushish oni bilan SPAD avalanche impulsi orasidagi vaqt minglab hodisalar uchun oʻlchanib, photon-arrival-time histogrami tuziladi.
Kuchlanish oshganda timing jitter qanday oʻzgardi?
Excess bias 1 V dan 5 V gacha oshirilganda:
| Timing koʻrsatkichi | VE = 1 V | VE = 5 V |
|---|---|---|
| FWHM | 178 ps | 46 ps |
| FWTM | 394 ps | 100 ps |
Yuqori elektr maydoni foton hosil qilgan tashuvchilarni tezroq drift qildirganligi sababli tashish vaqti taqsimoti torayadi. Bundan tashqari, avalanche hosil boʻlish vaqtidagi statistik noaniqlik ham kamayadi.
46 ps natijasi nega tadqiqot markazida?
8-shaklda tadqiqotchilar oʻz qurilmasini avval nashr qilingan BI-SPAD natijalari bilan taqqoslaydi. Taqqoslashdagi avvalgi qurilmalarning 940 nm timing jitter qiymatlari taxminan 100–205 ps oraligʻida boʻlsa, taklif qilingan tuzilma 46 ps FWHM qiymatiga erishadi.
Bundan tashqari, breakdown kuchlanishi 15 V darajasida ushlab turiladi va 940 nm PDP %21 sifatida saqlanadi. Shu sababli tadqiqotning asosiy yangilik daʼvosi shunchaki “eng past jitter” emas; past timing jitter + foydalanishga yaroqli NIR PDP + nisbatan past breakdown kuchlanishini bir xil ixcham tuzilmada birlashtirishdir.
PDP va PDE bir xilmi?
Toʻliq bir xil emas. PDP bitta SPADning kelayotgan har bir fotonga avalanche hosil qilish ehtimolini ifodalaydi. Sensor massivida photon detection efficiency (PDE) esa geometrik fill factor kabi qoʻshimcha omillardan taʼsirlanishi mumkin.
Tadqiqotchilar ushbu ishdagi qurilma bitta piksel test tuzilmasi ekanini alohida taʼkidlaydi. Kelajakda mikrolinza yordamida samarali fill factor taxminan %100 ga yaqinlashtirilsa, oʻlchangan PDP tizimdagi PDEni ancha yaqin ifodalashi mumkinligini muhokama qiladi. Biroq ushbu tadqiqotda bunday toʻliq mikrolinzali SPAD massivi namoyish etilmagan.
Tadqiqot qoʻllab-quvvatlaydigan natijalar
- 40 nm CIS jarayonida fizik ravishda ishlab chiqarilgan orqa tomondan yoritiladigan SPAD 940 nm da 46 ps FWHM timing jitter koʻrsatgan.
- Xuddi shu 5 V excess bias sharoitida 940 nm PDP %21 dir.
- Breakdown kuchlanishi taxminan 15 V.
- 650 nm da peak PDP %39,4 ga yetgan.
- VG guard-ring dizayni sinovdan oʻtkazilgan uchta tuzilma orasida PDP va timing jitter nuqtayi nazaridan eng qulay muvozanatni koʻrsatgan.
- TCAD, LET va LSM natijalari avalanche hududi faol junction ichida chegaralanganini bir-birini toʻldiruvchi usullar bilan qoʻllab-quvvatlagan.
- Qurilma −30 °C dan 90 °C gacha tavsiflangan va haroratga bogʻliq breakdown hamda DCR xatti-harakati oʻlchangan.
- Oʻlchash sharoitlarida afterpulsing eʼtiborga olinmaydigan deb topilgan.
Tadqiqot qoʻllab-quvvatlamaydigan natijalar
- Tadqiqot yakunlangan LiDAR tizimini koʻrsatmaydi.
- Avtomobil darajasidagi uzoq masofa ishlashi oʻlchanmagan.
- SPAD kamera massivining tasvir aniqligi yoki kadr tezligi sinovdan oʻtkazilmagan.
- 46 ps qiymatidan butun LiDAR tizimi bevosita 6,9 mm mutlaq masofa aniqligiga ega degan xulosa chiqarib boʻlmaydi; lazer, TDC, elektronika va signalni qayta ishlash ham tizim xatosiga hissa qoʻshadi.
- Tadqiqot tizim darajasidagi umumiy quvvat sarfini oʻlchamaydi.
- VG yuqoriroq DCR hosil qilgani sababli barcha SPAD ilovalari uchun avtomatik ravishda eng yaxshi guard-ring yechimi deb boʻlmaydi.
- %21 PDP, fill-factorni ham oʻz ichiga olgan %21 tizim PDE qiymati degani emas.
- Smartfon, AR/VR/XR yoki mobil LiDAR integratsiyasi ish doirasida mahsulot darajasida amalga oshirilmagan.
Tadqiqot usuli va natijalari
Ishlab chiqarish texnologiyasi va asosiy geometriya
| Parametr | Manbada qoʻllangan qiymat / tuzilma |
|---|---|
| Detektor turi | Back-illuminated SPAD |
| Ishlab chiqarish texnologiyasi | 3D-stacked 40 nm CMOS image sensor (CIS) |
| Epitaksial kremniy qalinligi | 4 µm |
| Faol junction | P+/N-well |
| Faol junction diametri | 2,5 µm |
| Izolyatsiya | Deep n-well (DNW) |
| Tanlangan guard ring | Virtual guard ring (VG) |
| VG kengligi | 1,5 µm |
| Breakdown voltage | 15 V |
| Tekshirilgan maksimal excess bias | 5 V |
Guard-ring taqqoslashining eksperimental natijasi
| Xususiyat | PW1 | PW2 | VG |
|---|---|---|---|
| Guard ring chuqurligi | Eng chuqur | Sayozroq | Eng sayoz / virtual tuzilma |
| Saturation current | Eng past | Oʻrtacha | Eng yuqori |
| Output rising edge | Sekinroq | Oʻrtacha | Eng tez |
| DCR | Eng past tendensiya | Oʻrtacha | Yuqoriroq |
| PDP | Eng past | Oʻrtacha | Eng yuqori |
| Timing jitter | Eng yuqori | Pastroq | Eng past |
Bu natija dizaynda klassik ishlash kompromissini koʻrsatadi. Guard-ring chegara taʼsiri kuchaygani sayin shovqin kamayishi mumkin, biroq foydali foto-tashuvchilarning bir qismi ham avalanche hududidan uzoqlashtirilishi mumkin. VG bu chegara taʼsirini kamaytirib PDP va timing jitterni yaxshilagan, biroq DCRning oshishiga olib kelgan.
TCAD, LET va LSM tasdigʻi
| Usul | Nimani oʻlchaydi/koʻrsatadi? | Asosiy natija |
|---|---|---|
| TCAD | Elektr maydon taqsimoti | Yuqori maydon AMRda chegaralangan; PEB bostirilgan. |
| LET | Avalanche vaqtida chiqariladigan yorugʻlik | Doirasimon va markazlangan avalanche faolligi kuzatilgan. |
| LSM | 940 nm lazer bilan fazoviy aniqlash profili | Taxminan 2,5 µm FWHM faol hudud oʻlchangan. |
Elektr shovqini va harorat tavsifi
| Koʻrsatkich | Natija | Sharoit |
|---|---|---|
| DCR | ~2,7 kcps | Xona harorati, VE = 5 V |
| Normallashtirilgan DCR | 550 cps/µm² | VE = 5 V |
| Afterpulsing | Eʼtiborga olinmaydi | VE = 5 V |
| Harorat oraligʻi | −30 dan 90 °C gacha | Atrof-muhit kamerasi sinovi |
| Breakdown harorat koeffitsiyenti | ~13 mV/K | Chiziqli tendensiya |
| DCR @ 90 °C | ~34 kcps | VE = 5 V |
| Past harorat aktivatsiya energiyasi | ~0,27 eV | Trap-assisted tunneling bilan bogʻlanadi |
| Yuqori harorat aktivatsiya energiyasi | ~0,47 eV | SRH termik generatsiya bilan bogʻlanadi |
Optik aniqlash natijalari
| Oʻlchov | Natija | Sharoit |
|---|---|---|
| Oʻlchangan spektral diapazon | 450–950 nm | Monochromator asosidagi PDP sinovi |
| 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 |
Vaqt koʻrsatkichlari
| Koʻrsatkich | 1 V excess bias | 5 V excess bias |
|---|---|---|
| FWHM timing jitter | 178 ps | 46 ps |
| FWTM timing jitter | 394 ps | 100 ps |
Timing jitterning kamayishi excess bias oshishi bilan elektr maydon kuchayishi, natijada tashuvchilarning drift tezligi ortishi va avalanche ishga tushish vaqti taqsimotining torayishi bilan izohlanadi.
8-shakldagi state-of-the-art taqqoslashini qanday oʻqish kerak?
Tadqiqotchilar taklif qilgan SPADni avval nashr qilingan BI-SPAD tuzilmalari bilan uchta asosiy oʻqda taqqoslaydi: breakdown voltage, 940 nm timing jitter va 940 nm PDP.
Taklif qilingan qurilma kombinatsiyasi:
- 40 nm texnologiya,
- 4 µm epitaksial qalinlik,
- izolyatsiyalangan carrier-collection region,
- 15 V breakdown,
- %21 PDP @ 940 nm,
- 46 ps jitter @ 940 nm
koʻrinishida berilgan.
8-shakldagi avvalgi tadqiqotlarning oʻlchash sharoitlari toʻliq bir xil emas va jadvalning ayrim kataklarida turli harorat, APDE/microlens yoki boshqa toʻlqin uzunligiga oid izohlar bor. Shu sababli taqqoslashdan chiqadigan eng ehtiyotkor xulosa — ish oʻz oʻlchash sharoitlarida juda past 940 nm timing jitterga erishgan va shu bilan birga NIR PDPni foydalanishga yaroqli darajada saqlagan.
Tadqiqotning eksperimental kuchli tomonlari
- Bir xil junction geometriyasida uchta guard-ring dizayni bevosita taqqoslangan.
- Tuzilmaviy izoh faqat simulyatsiyaga asoslanmagan; TCAD, LET va LSM birgalikda qoʻllangan.
- PDP faqat bitta toʻlqin uzunligida emas, keng spektral diapazonda oʻlchangan.
- 940 nm uchun maxsus LiDAR vaqt tavsifi bajarilgan.
- DCR haroratga bogʻliq ravishda −30 dan 90 °C gacha oʻlchangan.
- Afterpulsing alohida oʻrganilgan.
- FWHM bilan bir qatorda taqsimot dumini yaxshiroq ifodalovchi FWTM ham berilgan.
- Natijalar avvalgi BI-SPAD adabiyotlari bilan miqdoriy taqqoslangan.
Tadqiqotning asosiy cheklovlari
- Sinovdan oʻtkazilgan tuzilma bitta pikselli tavsiflash qurilmasidir.
- Yuqori aniqlikdagi SPAD massivi ushbu ishda koʻrsatilmagan.
- TDC, quenching va raqamli qayta ishlash sxemalari bilan integratsiyalangan yakuniy LiDAR sensori baholanmagan.
- Real tashqi nishonlarda masofa va chuqurlik aniqligi sinovi oʻtkazilmagan.
- Quvvat sarfi uchun tizim darajasida watt yoki energiya/foton/oʻlchov taqqoslanishi berilmagan.
- Mikrolinzali haqiqiy massiv fill factori eksperimental ravishda koʻrsatilmagan.
- VGning DCR qiymati boshqa guard-ring dizaynlaridan yuqori.
- Uzoq muddatli qaritish va qurilma umri tadqiqotning asosiy tavsif doirasiga kiritilmagan.
Manba va usul haqida izoh
Toʻliq asl tadqiqot nomi:Back-illuminated single-photon avalanche diode with superior temporal resolution for next-generation solid-state LiDAR.
Mualliflar, manbadagi tartibda: Eunsung Park; Doyoon Eom; Joo-Hyun Kim; Woo-Young Choi; Myung-Jae Lee.
Masʼul muallif: Myung-Jae Lee.
Teng birinchi mualliflik/teng hissa: Manbada teng birinchi mualliflik yoki teng hissa bayonoti mavjud emas.
Muassasalar: Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University, Seoul 03722, South Korea; TruPixel, Inc., Daejeon 34138, South Korea.
Manba turi va hakamlik holati: Hakamlikdan oʻtgan original tadqiqot maqolasidir.
Jurnal:APL Photonics.
Nashriyot: AIP Publishing.
Nashr identifikatori: APL Photonics 11, 016104 (2026).
DOI: 10.1063/5.0301124.
Nashr jarayoni: Yuborilgan sana 2025-yil 6-sentabr; qabul qilingan sana 2025-yil 22-dekabr; onlayn nashr 2026-yil 16-yanvar.
Maxsus toʻplam:Single-Photon Detectors: New Physical Principles, Circuits and Applications.
Rasmiy havola:https://doi.org/10.1063/5.0301124.
Litsenziya: Maqola, alohida koʻrsatilgan materiallardan tashqari, Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsenziyasi ostida nashr qilingan.
Moliyalashtirish: Tadqiqot Yonsei University Research Fund of 2024 (2024-22-0504), Ministry of Science and ICT tomonidan moliyalashtirilgan IITP yordami RS-2025-02218723, COMPA yordami RS-2024-00393983 va Ministry of SMEs and Startups tomonidan moliyalashtirilgan Technology Development Program yordami 00507002 doirasida qoʻllab-quvvatlangan.
Minnatdorchilik: Mualliflar SK hynix hamkorlariga, ayniqsa Hyuk An, Suhyun Yi, Kyung-Do Kim, Jongchae Kim, Minseok Shin, Kwangjun Cho, Kwang June Sohn, Ji-Hoon Cho, Kangbong Seo va Hoon-Sang Ohga qoʻllab-quvvatlagani uchun minnatdorchilik bildiradi.
Manfaatlar toʻqnashuvi: Mualliflar oshkor qilinishi kerak boʻlgan manfaatlar toʻqnashuvi yoʻqligini bildirgan.
Maʼlumotlar mavjudligi: Tadqiqot natijalarini qoʻllab-quvvatlovchi maʼlumotlarni asosli soʻrov boʻyicha masʼul muallifdan olish mumkinligi koʻrsatilgan.
Muallif hissalari: Eunsung Park konseptualizatsiya, maʼlumotlarni tartibga solish, formal tahlil, tadqiqot, tasdiqlash va vizualizatsiyada yetakchi; metodologiyada teng hissa qoʻshgan va dastlabki qoralamada yetakchi boʻlgan. Doyoon Eom formal tahlilda qoʻllab-quvvatlovchi va metodologiyada teng hissa qoʻshgan. Joo-Hyun Kim tadqiqot va tasdiqlashda qoʻllab-quvvatlovchi hissa qoʻshgan. Woo-Young Choi nazorat va matnni koʻrib chiqishda qoʻllab-quvvatlovchi rol bajargan. Myung-Jae Lee moliyalashtirishni jalb qilish, loyiha boshqaruvi, nazorat va matnni koʻrib chiqishda yetakchi sifatida qayd etilgan.
Avvalgi ish bilan bogʻliqlik: Mualliflar qurilmaning dastlabki natijalari avval 2024 IEEE International Electron Devices Meetingda “Back-illuminated SPAD in 40 nm CIS technology achieving 56 ps timing jitter with 15 V breakdown voltage for short/mid-range LiDAR applications” nomi bilan taqdim etilganini bildiradi. Ushbu APL Photonics maqolasi qurilma va oʻlchash boʻyicha kengroq tavsif beradi.
Asosiy ilmiy chegara: Tadqiqot real, fizik ravishda ishlab chiqarilgan BI-SPADni batafsil tavsiflaydi; biroq toʻliq LiDAR tizimi yoki SPAD tasvirlash massivini amalga oshirmaydi. Shu sababli 46 ps timing jitter, %21 PDP, 15 V breakdown va DCR qiymatlari bitta detektorning qurilma darajasidagi ishlash koʻrsatkichlaridir. Tizim masofasi, real 3B tasvir sifati, umumiy quvvat sarfi yoki mahsulot darajasidagi AR/VR/XR ishlashi ushbu tadqiqotdan bevosita chiqarib boʻlmaydi.
Ilmiy mazmun manbasi: Ushbu Verianla maqolasidagi qurilma tuzilmasi, tajriba qurilmalari, sonli qiymatlar, shakl izohlari, natijalar va cheklovlar faqat oʻrganilgan tadqiqotga asoslangan. Bibliografik identifikatsiya AIP Publishingning rasmiy nashr qaydi bilan ham tasdiqlangan.
Izoh qoldiring
E-pochta manzilingiz chop etilmaydi. Majburiy maydonlar * bilan belgilangan