Введение
Фотодетектор твердого состояния
Однофотонный лавинный диод (SPAD), также называемый лавинным фотодиодом в режиме Гейгера (GAPD или GM APD), является фотодетектором твердого состояния, относящимся к тому же семейству, что и фотодиоды и лавинные фотодиоды (APD), при этом фундаментально связан с основными характеристиками диодов. Как и фотодиоды и APD, SPAD основан на полупроводниковом p-n переходе, который может быть облучен ионизирующим излучением, таким как гамма-излучение, рентгеновские лучи, бета- и альфа-частицы, а также широким диапазоном электромагнитного спектра от ультрафиолетового (УФ) через видимые длины волн до инфракрасного (ИК). В фотодиоде, при низком обратном напряжении смещения, ток утечки изменяется линейно с поглощением фотонов, то есть с высвобождением носителей заряда (электронов и/или дырок) в результате внутреннего фотоэлектрического эффекта. Однако в SPAD это используется для обнаружения одиночных фотонов на определенных длинах волн.
Приложения
С 1970-х годов области применения SPAD значительно расширились. Недавние примеры их использования включают лидар, 3D-изображение на основе времени пролета (ToF), ПЭТ-сканирование, эксперименты с одиночными фотонами в физике, флуоресцентную микроскопию с измерением времени жизни и оптическую связь (в частности, квантовое распределение ключей).
Структуры
SPAD - это полупроводниковые приборы, основанные на p–n-переходе, к которому приложено обратное смещение при рабочем напряжении, превышающем напряжение пробоя перехода (рис. 1). "При таком смещении электрическое поле настолько велико [более 3×10⁵ В/см], что один инжектированный в обедненный слой носитель заряда может инициировать самоподдерживающуюся лавину. Ток быстро возрастает [с временем нарастания менее наносекунды] до макроскопически устойчивого уровня в диапазоне миллиампер. Если первичный носитель генерируется светом, то передний фронт лавинного импульса фиксирует время прихода обнаруженного фотона [с джиттером во времени в пикосекундах]. Это может быть вредно для SPAD, поскольку он будет подвергаться воздействию лавинного тока почти непрерывно. В пассивном режиме насыщение может привести к уменьшению скорости счета после достижения максимума. Это явление называется параличом: фотон, приходящий в момент пассивной перезарядки SPAD, имеет сниженную вероятность регистрации, но может увеличить мертвое время. Следует отметить, что пассивное гашение, хотя и проще в реализации с точки зрения схемотехники, приводит к снижению максимальной скорости счета на 1/e."
Скорость темного отсчета (DCR)
Помимо носителей заряда, генерируемых фотонами, процесс лавинного пробоя может быть инициирован и термогенерируемыми носителями (в результате процессов генерации-рекомбинации внутри полупроводника). Поэтому выходные импульсы могут наблюдаться даже при полной темноте, когда на SPAD не попадает свет. Среднее количество таких импульсов в секунду называется темновой скоростью счета (DCR) и является ключевым параметром, определяющим шум детектора. Важно отметить, что величина, обратная темновой скорости счета, определяет среднее время, в течение которого SPAD остается под напряжением выше напряжения пробоя до момента случайного срабатывания из-за тепловой генерации носителей. Следовательно, для работы в качестве детектора одиночных фотонов SPAD должен сохранять способность оставаться под напряжением выше напряжения пробоя в течение достаточно длительного времени (например, нескольких миллисекунд, что соответствует скорости счета значительно ниже тысячи импульсов в секунду, cps).
Послепульсный шум
Еще один эффект, способный спровоцировать лавину, известен как послеимпульсы. Во время лавины PN-переход заполняется носителями заряда, и уровни захвата между валентной и зоной проводимости заполняются в гораздо большей степени, чем можно ожидать при тепловом равновесии распределения носителей заряда. После того, как SPAD погашен, существует определенная вероятность того, что носитель заряда, находящийся на уровне захвата, получит достаточно энергии, чтобы освободиться от захвата и перейти в зону проводимости, что вызовет новую лавину. Таким образом, в зависимости от качества технологического процесса и конкретных слоев и внедрений, использованных при изготовлении SPAD, из одного исходного теплового или фотогенерированного события может быть сгенерировано значительное количество дополнительных импульсов. Степень возникновения послеимпульсов можно количественно оценить, измеряя автокорреляцию времени прихода лавин при проведении измерения темнового счета. Тепловая генерация создает пуассоновскую статистику с автокорреляцией в виде импульсной функции, а послеимпульсы приводят к непуассоновской статистике.
Фотоновый тайминг и джитр
Передний край лавинного пробоя SPAD особенно полезен для точного определения момента прихода фотонов. Этот метод применяется в 3D-визуализации, лидаре и широко используется в физических измерениях, основанных на коррелированном по времени счете одиночных фотонов (TCSPC). Однако для реализации такой функциональности необходимы специализированные схемы, такие как преобразователи времени в цифровой код (TDC) и схемы преобразования времени в аналоговый сигнал (TAC). Измерение момента прихода фотона затруднено двумя основными процессами. Первый – статистические флуктуации времени прихода самого фотона, являющиеся фундаментальным свойством света. Второй – статистическая изменчивость механизма детектирования внутри SPAD, обусловленная а) глубиной поглощения фотона, б) временем диффузии до активного p-n перехода, в) статистикой развития лавины и г) джиттером (нестабильностью) схемы детектирования и синхронизации.
Оптический коэффициент заполнения
Для одного SPAD отношение его оптически чувствительной площади, Aact, к его общей площади, Atot, называется коэффициентом заполнения. Поскольку SPAD требует защитного кольца, активная площадь диода может быть как небольшой, так и соразмерной площади защитного кольца. Кроме того, технологический процесс изготовления массива SPAD может накладывать ограничения на расстояние между защитными кольцами, то есть на минимальное расстояние между SPAD. Это приводит к тому, что площадь массива в большей степени определяется защитными кольцами и областями разделения, чем оптически активными p-n переходами. Коэффициент заполнения снижается, если в массив необходимо включать схемы, поскольку это увеличивает расстояние между оптически активными областями. Один из способов смягчить эту проблему – увеличить активную площадь каждого SPAD в массиве, чтобы защитные кольца и области разделения перестали быть доминирующими. Однако для SPAD, интегрированных в КМОП-технологии, вероятность ложных срабатываний из-за темновых импульсов возрастает с увеличением размера диода.
Геометрические усовершенствования
Одним из первых методов увеличения коэффициентов заполнения в массивах круглых SPAD было смещение выравнивания альтернативных рядов таким образом, чтобы кривая одного SPAD частично использовала площадь между двумя SPAD на соседнем ряду. Это было эффективно, но усложняло трассировку и компоновку массива. Для решения ограничений по коэффициенту заполнения в массивах SPAD, сформированных из круглых SPAD, используются другие формы, поскольку известно, что они обеспечивают более высокие максимальные значения площади в пределах типичной квадратной площади пикселя и имеют более высокие коэффициенты упаковки. Квадратный SPAD в квадратном пикселе достигает наивысшего коэффициента заполнения, однако острые углы этой геометрии, как известно, вызывают преждевременный пробой устройства, несмотря на наличие защитного кольца, и, следовательно, приводят к созданию SPAD с высокой скоростью счета в темноте. В качестве компромисса были изготовлены квадратные SPAD с достаточно закругленными углами. Они называются SPAD формы Ферма, а сама форма представляет собой суперэллипс или кривую Ламе. Эта номенклатура широко распространена в литературе по SPAD, однако кривая Ферма относится к частному случаю суперэллипса, который накладывает ограничения на соотношение длины формы "a" и ширины "b" (они должны быть одинаковыми, a = b = 1) и ограничивает степень кривой "n" четными целыми числами (2, 4, 6, 8 и т. д.). Степень "n" определяет кривизну углов формы. В идеале, для оптимизации формы диода как с точки зрения низкого уровня шума, так и высокого коэффициента заполнения, параметры формы должны быть свободны от этих ограничений. Чтобы минимизировать расстояние между активными областями SPAD, исследователи удалили всю активную схему из массивов, а также изучили использование SPAD массивов, построенных только на NMOS CMOS, чтобы исключить необходимость в защитном кольце SPAD и соблюдении правил расстояния между PMOS и n-колодцами. Это полезно, но ограничено расстояниями трассировки и перегрузкой в центральные SPAD для больших массивов. Эта концепция была расширена для разработки массивов, использующих кластеры SPAD в так называемых мини-SiPM конфигурациях. Это устранило одно из основных правил разделения между защитными кольцами и позволило увеличить коэффициент заполнения до 60 или 70%. Идея совместного использования n-колодца и защитного кольца оказалась решающей в усилиях по уменьшению шага пикселя и увеличению общего количества диодов в массиве. Недавно шаг SPAD был уменьшен до 3,0 мкм и 2,2 мкм. Это позволяет достичь большой площади оптического сбора при меньшей площади SPAD. Еще одна концепция, заимствованная из технологий датчиков изображения CMOS, — это исследование многослойных p-n переходов, аналогичных датчикам Foveon. Идея заключается в том, что фотоны с более высокой энергией (синие) имеют тенденцию поглощаться на небольшой глубине поглощения, то есть вблизи поверхности кремния.
Улучшения в производстве ИС
С развитием технологий 3D IC, то есть стекирования интегральных схем, коэффициент заполнения можно дополнительно увеличить, оптимизируя верхнюю кристалл для массива SPAD с высоким коэффициентом заполнения, а нижний кристалл – для считывающих цепей и обработки сигналов. Поскольку процессы изготовления малоразмерных, высокоскоростных транзисторов могут требовать иной оптимизации, чем для оптически чувствительных диодов, 3D IC позволяют оптимизировать слои независимо друг от друга.
Улучшения оптики на уровне пикселей
Как и в случае с CMOS-сенсорами, микролинзы могут быть изготовлены на массиве пикселей SPAD для фокусировки света в центр SPAD. Это, подобно отдельному SPAD, позволяет свету попадать исключительно в чувствительную область, избегая охранного кольца и трассировки, необходимой внутри массива. В последнее время также стали использоваться линзы Френеля.
Размер пикселей
Вышеуказанные методы повышения коэффициента заполнения, в основном сосредоточенные на геометрии SPAD и других усовершенствованиях, позволили массивам SPAD недавно преодолеть порог в 1 мегапиксель. Хотя это пока отстает от CMOS-сенсоров (с шагом пикселя менее 0,8 мкм), это обусловлено как относительно молодой стадией развития данной области исследований (CMOS SPAD были представлены в 2003 году), так и сложностями, связанными с высокими напряжениями, лавинным умножением в кремнии и требованиями к интервалам между элементами.
Сравнение с ППУ
Хотя и APD, и SPAD являются полупроводниковыми p-n переходами, которые сильно смещены в обратном направлении, принципиальное различие в их свойствах обусловлено различными точками смещения на обратной вольт-амперной характеристике, то есть обратным напряжением, приложенным к переходу. Для приложений оптического детектирования, возникающая лавина и последующий ток в цепи смещения линейно связаны с интенсивностью оптического сигнала. Таким образом, APD полезен для достижения умеренного усиления оптических сигналов низкой интенсивности, но часто комбинируется с трансимпедансным усилителем (TIA), поскольку выход APD представляет собой ток, а не напряжение типичного усилителя. Полученный сигнал является неискаженной, усиленной версией входного сигнала, позволяющей измерять сложные процессы, модулирующие амплитуду падающего света. Факторы внутреннего усиления для APD варьируются в зависимости от применения, однако типичные значения составляют несколько сотен. Лавина носителей не является расходящейся в этом рабочем диапазоне, в то время как лавина в SPAD быстро переходит в неуправляемое (расходящееся) состояние. Для сравнения, SPAD работают при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Это настолько нестабильный режим, что одиночный фотон или одиночный электрон темнового тока могут вызвать значительную лавину носителей. Поскольку устройство генерирует событие срабатывания, понятие усиления не является строго совместимым. Однако, поскольку эффективность детектирования фотонов (PDE) SPAD изменяется в зависимости от обратного напряжения смещения, усиление, в общем концептуальном смысле, может использоваться для различения сильно смещенных и, следовательно, высокочувствительных устройств по сравнению со слабо смещенными и, следовательно, менее чувствительными. В то время как APD может усиливать входной сигнал, сохраняя любые изменения амплитуды, SPAD искажает сигнал, преобразуя его в серию событий срабатывания или импульсов. Выходной сигнал все еще можно рассматривать как пропорциональный интенсивности входного сигнала, однако теперь он преобразуется в частоту событий срабатывания, то есть частотную модуляцию импульсов (PFM). Импульсы можно подсчитывать. Эти дефекты назывались «микроплазмами» и имеют решающее значение в истории APD и SPAD. Также важно исследование светочувствительных свойств p-n переходов, особенно результаты, полученные Расселом Олом в начале 1940-х годов. Обнаружение света в полупроводниках и твердых телах посредством внутреннего фотоэлектрического эффекта имеет более давнюю историю, Фостер Никс указывает на работы Гуддена и Поля в 1920-х годах, которые использовали термины «первичный» и «вторичный» для обозначения внутреннего и внешнего фотоэлектрических эффектов соответственно. В 1950-х и 1960-х годах были предприняты значительные усилия по уменьшению количества микроплазменных пробоев и источников шума, при этом искусственные микроплазмы создавались для изучения. Стало ясно, что лавинный механизм может быть полезен для усиления сигнала внутри самого диода, поскольку для изучения этих устройств и механизмов пробоя использовались как свет, так и альфа-частицы. В начале 2000-х годов SPAD были реализованы в процессах КМОП. Это радикально повысило их производительность (скорость счета темнового тока, джиттер, шаг пикселя матрицы и т. д.) и позволило использовать аналоговые и цифровые схемы, которые могут быть реализованы вместе с этими устройствами. Примечательные схемы включают подсчет фотонов с использованием быстрых цифровых счетчиков, измерение времени прихода фотонов с использованием как преобразователей времени в цифровой код (TDC), так и преобразователей времени в аналоговый код (TAC), пассивные схемы гашения с использованием транзисторов NMOS или PMOS вместо поликремниевых резисторов, активные схемы гашения и сброса для высоких скоростей счета и множество цифровых блоков обработки сигналов на кристалле. Такие устройства, достигающие коэффициента заполнения >70%, с >1024 SPAD, с DCR < 10 Гц и значениями джиттера в области 50 пс, теперь доступны с временем восстановления 1-2 нс. Недавние устройства используют 3D IC технологии, такие как сквозные кремниевые виа (TSV), для создания SPAD с высоким коэффициентом заполнения, оптимизированного верхнего слоя КМОП (90 нм или 65 нм техпроцесс) с выделенным слоем обработки и считывания сигналов КМОП (45 нм техпроцесс). Значительные улучшения в параметрах шума для SPAD были достигнуты с помощью инструментов моделирования кремниевых процессов, таких как TCAD, где защитные кольца, глубина переходов и структура и форма устройства могут быть оптимизированы перед валидацией на экспериментальных структурах SPAD.