Un diodo de avalancha de fotón único (SPAD) es un fotodetector de estado sólido dentro de la misma familia que los fotodiodos y fotodiodos de avalancha (APD), mientras que también está fundamentalmente relacionado con los comportamientos básicos de los diodos . Al igual que con los fotodiodos y los APD, un SPAD se basa en una unión pn semiconductora que se puede iluminar con radiación ionizante como gamma, rayos X, partículas beta y alfa junto con una amplia porción del espectro electromagnético de los rayos ultravioleta (UV) a través de las longitudes de onda visibles y en el infrarrojo (IR).
En un fotodiodo, con una baja tensión de polarización inversa , la corriente de fuga cambia linealmente con la absorción de fotones, es decir, la liberación de portadores de corriente (electrones y / o huecos) debido al efecto fotoeléctrico interno . Sin embargo, en un SPAD, [1] [2] la polarización inversa es tan alta que se produce un fenómeno llamado ionización por impacto que puede provocar el desarrollo de una corriente de avalancha. Simplemente, un portador fotogenerado es acelerado por el campo eléctrico en el dispositivo a una energía cinética que es suficiente para superar la energía de ionización del material a granel, expulsando electrones de un átomo. Una gran avalancha de portadores de corriente crece exponencialmente y puede activarse desde un solo portador iniciado por fotones. Un SPAD puede detectar fotones individuales proporcionando pulsos de activación de corta duración que se pueden contar. Sin embargo, también se pueden utilizar para obtener la hora de llegada del fotón incidente debido a la alta velocidad a la que se acumula la avalancha y la baja fluctuación de tiempo del dispositivo .
La diferencia fundamental entre los SPAD y los APD o fotodiodos es que un SPAD está polarizado muy por encima de su voltaje de ruptura de polarización inversa y tiene una estructura que permite el funcionamiento sin daños ni ruido indebido. Si bien un APD puede actuar como un amplificador lineal, el nivel de ionización por impacto y avalancha dentro del SPAD ha llevado a los investigadores a comparar el dispositivo con un contador Geiger en el que los pulsos de salida indican un evento de activación o "clic". La región de polarización del diodo que da lugar a este comportamiento de tipo "clic" se denomina, por lo tanto, región de " modo Geiger ".
Al igual que con los fotodiodos, la región de longitud de onda en la que es más sensible es un producto de sus propiedades materiales, en particular, la banda prohibida de energía dentro del semiconductor . Se han utilizado muchos materiales, incluidos silicio , germanio y otros elementos III-V , para fabricar SPAD para la gran variedad de aplicaciones que ahora utilizan el proceso de avalancha de fuga. Hay mucha investigación en este tema con actividad de implementación de sistemas basados en SPAD en tecnologías de fabricación CMOS , [3] e investigación y uso de combinaciones de materiales III-V [4] para la detección de un solo fotón en longitudes de onda dedicadas.
Aplicaciones
Desde la década de 1970, las aplicaciones de SPAD se han incrementado significativamente. Ejemplos recientes de su uso incluyen lidars , imágenes 3D de tiempo de vuelo (ToF), escaneo PET , experimentación con un solo fotón dentro de la física, microscopía de vida útil de fluorescencia y comunicaciones ópticas (particularmente distribución de clave cuántica ).
Operación
Estructuras
Los SPAD son dispositivos semiconductores basados en una unión p – n con polarización inversa a un voltaje V a que excede el voltaje de ruptura V B de la unión ( Figura 1 ). [ aclaración necesaria ] [1] "Con este sesgo, el campo eléctrico es tan alto [más de 3 × 10 5 V / cm] que un solo portador de carga inyectado en la capa de agotamiento puede desencadenar una avalancha autosostenida. La corriente aumenta rápidamente [tiempo de subida de sub-nanosegundos] a un nivel estable macroscópico en el rango de miliamperios Si la portadora primaria es fotogenerada, el borde delantero del pulso de avalancha marca [con fluctuación de tiempo de picosegundos] el tiempo de llegada del fotón detectado . " [1] La corriente continúa hasta que la avalancha se apaga bajando el voltaje de polarización V D hasta o por debajo de V B : [1] el campo eléctrico inferior ya no puede acelerar los portadores para que se ionicen por impacto con átomos reticulados , por lo tanto, la corriente cesa . Para poder detectar otro fotón, el voltaje de polarización debe elevarse nuevamente por encima de la ruptura. [1]
"Esta operación requiere un circuito adecuado, que debe:
- Sienta el borde de ataque de la corriente de avalancha.
- Genere un pulso de salida estándar sincrónico con la acumulación de avalancha.
- Apague la avalancha bajando la polarización hasta el voltaje de ruptura.
- Restaurar el fotodiodo al nivel operativo.
Este circuito generalmente se conoce como circuito de extinción ". [1]
Regiones de polarización y característica corriente-voltaje
Una unión pn de semiconductores se puede polarizar en varias regiones operativas dependiendo del voltaje aplicado. Para el funcionamiento normal del diodo unidireccional , la región de polarización directa y el voltaje directo se utilizan durante la conducción, mientras que la región de polarización inversa evita la conducción. Cuando se opera con un voltaje de polarización inversa bajo, la unión pn puede operar como un fotodiodo de ganancia unitaria . A medida que aumenta la polarización inversa, puede producirse cierta ganancia interna a través de la multiplicación de portadoras, lo que permite que el fotodiodo funcione como un fotodiodo de avalancha (APD) con una ganancia estable y una respuesta lineal a la señal de entrada óptica. Sin embargo, a medida que el voltaje de polarización continúa aumentando, la unión pn se rompe cuando la intensidad del campo eléctrico a través de la unión pn alcanza un nivel crítico. Como este campo eléctrico es inducido por el voltaje de polarización sobre la unión, se denota como voltaje de ruptura, VBD. Un SPAD tiene polarización inversa con un exceso de voltaje de polarización, Vex, por encima del voltaje de ruptura, pero por debajo de un segundo voltaje de ruptura más alto asociado con el anillo de protección del SPAD. El sesgo total (VBD + Vex) por lo tanto excede el voltaje de ruptura hasta tal punto que “En este sesgo, el campo eléctrico es tan alto [superior a 3 × 10 5 V / cm] que se inyecta un solo portador de carga en la capa de agotamiento puede desencadenar una avalancha autosostenida. La corriente aumenta rápidamente [tiempo de aumento de sub-nanosegundos] a un nivel estable macroscópico en el rango de miliamperios. Si la portadora primaria es fotogenerada, el borde delantero del pulso de avalancha marca [con fluctuación de tiempo de picosegundos] el tiempo de llegada del fotón detectado ". [1]
Como la característica de corriente frente a voltaje (IV) de una unión pn proporciona información sobre el comportamiento de conducción del diodo, esto a menudo se mide utilizando un trazador de curvas analógico. Esto barre el voltaje de polarización en pasos finos bajo condiciones de laboratorio estrictamente controladas. Para un SPAD, sin llegadas de fotones o portadores generados térmicamente, la característica IV es similar a la característica inversa de un diodo semiconductor estándar, es decir, un bloqueo casi total del flujo de carga (corriente) a través de la unión que no sea una pequeña corriente de fuga ( nanoamperios). Esta condición puede describirse como una "rama externa" de la característica.
Sin embargo, cuando se realiza este experimento, se puede observar un efecto de "parpadeo" y una segunda característica de IV más allá de la ruptura. Esto ocurre cuando el SPAD ha experimentado un evento desencadenante (llegada de fotones o portador generado térmicamente) durante los barridos de voltaje que se aplican al dispositivo. El SPAD, durante estos barridos, sostiene una corriente de avalancha que se describe como la "rama" de la característica IV. A medida que el trazador de curva aumenta la magnitud del voltaje de polarización a lo largo del tiempo, hay ocasiones en que el SPAD se activa durante el barrido de voltaje por encima de la ruptura. En este caso se produce una transición de la derivación a la derivación, comenzando a fluir una corriente apreciable. Esto conduce al parpadeo de la característica IV que se observa y fue denotada por los primeros investigadores en el campo como "bifurcación" [2] (def: la división de algo en dos ramas o partes). Para detectar fotones individuales con éxito, la unión pn debe tener niveles muy bajos de los procesos internos de generación y recombinación. Para reducir la generación térmica, los dispositivos a menudo se enfrían, mientras que fenómenos como la formación de túneles a través de las uniones pn también deben reducirse mediante un diseño cuidadoso de los dopantes semiconductores y los pasos de implante. Finalmente, para reducir los mecanismos de ruido exacerbados por los centros de atrapamiento dentro de la estructura de banda prohibida de la unión pn, el diodo debe tener un proceso "limpio" libre de dopantes erróneos.
Circuitos de extinción pasivos
El circuito de extinción más simple se denomina comúnmente circuito de extinción pasivo y comprende una sola resistencia en serie con el SPAD. Esta configuración experimental se ha utilizado desde los primeros estudios sobre la ruptura de avalanchas en uniones . La corriente de avalancha se apaga automáticamente simplemente porque desarrolla una caída de voltaje a través de una carga de balasto de alto valor R L (alrededor de 100 kΩ o más). Después de la extinción de la corriente de avalancha, la polarización SPAD V D se recupera lentamente a V a y, por lo tanto, el detector está listo para encenderse nuevamente. Por lo tanto, este modo de circuito se denomina restablecimiento pasivo de extinción pasiva (PQPR), aunque se puede utilizar un elemento de circuito activo para restablecer formando un modo de circuito de restablecimiento activo de extinción pasiva (PQAR). Zappa et al. Publican una descripción detallada del proceso de extinción. [1]
Circuitos de extinción activos
Un enfriamiento más avanzado, que se exploró desde la década de 1970 en adelante, es un esquema llamado enfriamiento activo . En este caso, un discriminador rápido detecta el inicio abrupto de la corriente de avalancha a través de una resistencia de 50 Ω (o transistor integrado) y proporciona un pulso de salida digital ( CMOS , TTL , ECL , NIM ), sincrónico con el tiempo de llegada del fotón. Luego, el circuito reduce rápidamente el voltaje de polarización por debajo de la ruptura (extinción activa), luego regresa la polarización con relativa rapidez por encima del voltaje de ruptura listo para detectar el siguiente fotón. Este modo se denomina reinicio activo de extinción activa (AQAR), sin embargo, dependiendo de los requisitos del circuito, el reinicio pasivo de extinción activa (AQPR) puede ser más adecuado. Los circuitos AQAR a menudo permiten tiempos muertos más bajos y una variación de tiempo muerto significativamente reducida.
Recuento y saturación de fotones
La intensidad de la señal de entrada se puede obtener contando ( recuento de fotones ) el número de pulsos de salida dentro de un período de tiempo de medición. Esto es útil para aplicaciones como imágenes con poca luz, escaneo PET y microscopía de vida útil de fluorescencia . Sin embargo, mientras el circuito de recuperación de avalanchas apaga la avalancha y restaura el sesgo, el SPAD no puede detectar más llegadas de fotones. Los fotones (o recuentos oscuros o pulsos posteriores) que lleguen al detector durante este breve período no se cuentan. A medida que aumenta el número de fotones de manera que el intervalo de tiempo (estadístico) entre los fotones se encuentra dentro de un factor de diez aproximadamente del tiempo de recuperación de la avalancha, los recuentos faltantes se vuelven estadísticamente significativos y la tasa de recuento comienza a apartarse de una relación lineal con el nivel de luz detectado . En este punto, el SPAD comienza a saturarse. Si el nivel de luz aumentara aún más, en última instancia hasta el punto en el que el SPAD se invade inmediatamente en el momento en que el circuito de recuperación de avalanchas restablece el sesgo, la tasa de recuento alcanza un máximo definido puramente por el tiempo de recuperación de la avalancha en el caso de extinción activa (cien millones de recuentos por segundo o más [5] ). Esto puede ser perjudicial para el SPAD, ya que experimentará corrientes de avalancha casi continuamente. En el caso pasivo, la saturación puede hacer que la tasa de conteo disminuya una vez que se alcanza el máximo. Esto se llama parálisis, por la cual un fotón que llega como SPAD se recarga pasivamente, tiene una probabilidad de detección más baja, pero puede extender el tiempo muerto. Vale la pena señalar que el enfriamiento pasivo, aunque es más simple de implementar en términos de circuitos, incurre en una reducción de 1 / e en las tasas de conteo máximas.
Tasa de recuento oscuro (DCR)
Además de los portadores generados por fotones, los portadores generados térmicamente (a través de procesos de recombinación de generación dentro del semiconductor) también pueden desencadenar el proceso de avalancha. Por lo tanto, es posible observar pulsos de salida cuando el SPAD está en completa oscuridad. El número medio resultante de recuentos por segundo se denomina tasa de recuento oscuro (DCR) y es el parámetro clave para definir el ruido del detector. Vale la pena señalar que el recíproco de la tasa de recuento oscuro define el tiempo medio que el SPAD permanece sesgado por encima de la ruptura antes de ser activado por una generación térmica no deseada. Por lo tanto, para funcionar como un detector de fotón único, el SPAD debe poder permanecer sesgado por encima de la ruptura durante un tiempo suficientemente largo (por ejemplo, unos pocos milisegundos, lo que corresponde a una tasa de conteo muy por debajo de mil conteos por segundo, cps) .
Después de ruido pulsante
Otro efecto que puede desencadenar una avalancha se conoce como pulso posterior. Cuando ocurre una avalancha, la unión PN se inunda con portadores de carga y los niveles de trampa entre la valencia y la banda de conducción se ocupan en un grado mucho mayor que el esperado en una distribución de equilibrio térmico de portadores de carga. Una vez que el SPAD se ha apagado, existe cierta probabilidad de que un portador de carga en un nivel de trampa reciba suficiente energía para liberarlo de la trampa y promoverlo a la banda de conducción, lo que desencadena una nueva avalancha. Por lo tanto, dependiendo de la calidad del proceso y de las capas e implantes exactos que se utilizaron para fabricar el SPAD, se puede desarrollar un número significativo de pulsos adicionales a partir de un solo evento de generación térmica o de fotogeneración. El grado de pospulso se puede cuantificar midiendo la autocorrelación de los tiempos de llegada entre avalanchas cuando se configura una medición de recuento oscuro. La generación térmica produce estadísticas de Poisson con una autocorrelación de función de impulso, y la pulsación posterior produce estadísticas no Poissonianas.
Jitter y sincronización de fotones
El borde de ataque de la ruptura de avalancha de un SPAD es particularmente útil para cronometrar la llegada de fotones. Este método es útil para imágenes 3D, LIDAR y se utiliza mucho en mediciones físicas que dependen del recuento de fotones individuales correlacionados en el tiempo (TCSPC). Sin embargo, para habilitar dicha funcionalidad, se requieren circuitos dedicados como convertidores de tiempo a digital (TDC) y circuitos de tiempo a analógico (TAC). La medición de la llegada de un fotón se complica por dos procesos generales. La primera es la fluctuación estadística en el tiempo de llegada del propio fotón, que es una propiedad fundamental de la luz. El segundo es la variación estadística en el mecanismo de detección dentro del SPAD debido a a) la profundidad de la absorción de fotones, b) el tiempo de difusión a la unión pn activa, c) las estadísticas de acumulación de la avalancha yd) la fluctuación de la detección y circuitos de temporización.
Factor de relleno óptico
Para un solo SPAD, la relación entre su área ópticamente sensible, Aact, y su área total, Atot, se denomina factor de relleno , FF = 100 * (Aact / Atot). Como los SPAD requieren un anillo de protección [1] [2] para evitar una ruptura prematura del borde, el factor de relleno óptico se convierte en un producto de la forma y el tamaño del diodo en relación con su anillo de protección. Si el área activa es grande y el anillo de protección exterior es delgado, el dispositivo tendrá un factor de llenado alto. Con un solo dispositivo, el método más eficiente para asegurar la utilización completa del área y la máxima sensibilidad es enfocar la señal óptica entrante para que esté dentro del área activa del dispositivo, es decir, todos los fotones incidentes se absorben dentro del área plana de la unión pn de manera que cualquier fotón dentro de esta área puede desencadenar una avalancha.
El factor de relleno es más aplicable cuando consideramos matrices de dispositivos SPAD. [3] Aquí el área activa del diodo puede ser pequeña o acorde con el área del anillo de protección. Asimismo, el proceso de fabricación de la matriz SPAD puede imponer restricciones a la separación de un anillo de protección a otro, es decir, la separación mínima de SPAD. Esto conduce a la situación en la que el área de la matriz se vuelve dominada por el anillo de protección y las regiones de separación en lugar de uniones pn ópticamente receptivas. El factor de relleno empeora cuando se deben incluir circuitos dentro de la matriz, ya que esto agrega una mayor separación entre las regiones ópticamente receptivas. Un método para mitigar este problema es aumentar el área activa de cada SPAD en la matriz de modo que los anillos de protección y la separación ya no sean dominantes; sin embargo, para los SPAD integrados en CMOS, las detecciones erróneas causadas por los recuentos oscuros aumentan a medida que aumenta el tamaño del diodo. [6]
Mejoras geométricas
Uno de los primeros métodos para aumentar los factores de relleno en matrices de SPAD circulares fue compensar la alineación de filas alternas de modo que la curva de un SPAD use parcialmente el área entre los dos SPAD en una fila adyacente. [7] Esto fue efectivo pero complicó el enrutamiento y el diseño de la matriz.
Para abordar las limitaciones del factor de relleno dentro de las matrices SPAD formadas por SPAD circulares, se utilizan otras formas, ya que se sabe que tienen valores de área máxima más altos dentro de un área de píxeles típicamente cuadrados y tienen relaciones de empaquetado más altas. Un SPAD cuadrado dentro de un píxel cuadrado logra el factor de relleno más alto, sin embargo, se sabe que las esquinas afiladas de esta geometría causan una falla prematura del dispositivo, a pesar de un anillo de protección y, en consecuencia, producen SPAD con altas tasas de recuento de oscuridad. Para comprometer, se han fabricado SPAD cuadrados con esquinas suficientemente redondeadas. [8] Estos se denominan SPAD en forma de Fermat , mientras que la forma en sí es una superelipse o una curva de Lamé. Esta nomenclatura es común en la literatura SPAD, sin embargo, la curva de Fermat se refiere a un caso especial de la superelipse que impone restricciones a la relación entre la longitud de la forma, "a" y el ancho, "b" (deben ser iguales, a = b = 1) y restringe el grado de la curva "n" a números enteros pares (2, 4, 6, 8, etc.). El grado "n" controla la curvatura de las esquinas de la forma. Idealmente, para optimizar la forma del diodo tanto para un bajo nivel de ruido como para un factor de relleno alto, los parámetros de la forma deberían estar libres de estas restricciones.
Para minimizar el espaciado entre las áreas activas SPAD, los investigadores han eliminado todos los circuitos activos de las matrices [9] y también han explorado el uso de matrices SPAD CMOS solo NMOS para eliminar el anillo protector SPAD a las reglas de espaciado de n-pozos de PMOS. [10] Esto es beneficioso, pero está limitado por las distancias de enrutamiento y la congestión en los SPAD centrales para arreglos más grandes. El concepto se ha extendido para desarrollar arreglos que utilizan grupos de SPAD en los llamados arreglos mini-SiPM [9] mediante los cuales se proporciona un arreglo más pequeño con su circuito activo en un borde, lo que permite que un segundo arreglo pequeño se apoye en un borde diferente. . Esto redujo las dificultades de enrutamiento al mantener manejable el número de diodos en el grupo y al crear el número requerido de SPAD en total a partir de colecciones de esos grupos.
Se logró un salto significativo en el factor de relleno y el paso de píxeles de la matriz al compartir el n-pozo profundo de los SPAD en los procesos CMOS, [11] [9] y, más recientemente, también al compartir partes de la estructura del anillo de protección. [12] Esto eliminó una de las principales reglas de separación entre el anillo de protección y el anillo de protección y permitió que el factor de llenado aumentara hacia el 60 [13] o el 70%. [14] [15] La idea de compartir n-pozos y anillos de protección ha sido crucial en los esfuerzos por reducir el paso de píxeles y aumentar el número total de diodos en la matriz. Recientemente, los tonos SPAD se han reducido a 3,0 um [16] y 2,2 um. [12]
Portando un concepto de fotodiodos y APD, los investigadores también han investigado el uso de campos eléctricos de deriva dentro del sustrato CMOS para atraer portadores fotogenerados hacia la unión pn activa de un SPAD. [17] Al hacerlo, se puede lograr un área de recolección óptica grande con una región SPAD más pequeña.
Otro concepto derivado de las tecnologías de sensores de imagen CMOS es la exploración de uniones pn apiladas similares a los sensores Foveon . La idea es que los fotones de mayor energía (azules) tienden a absorberse a una profundidad de absorción corta, es decir, cerca de la superficie del silicio. [18] Los fotones rojos e infrarrojos (energía más baja) viajan más profundamente en el silicio. Si hay una unión a esa profundidad, se puede mejorar la sensibilidad al rojo y al infrarrojo. [19] [20]
Mejoras en la fabricación de circuitos integrados
Con el avance de las tecnologías 3D IC , es decir, el apilamiento de circuitos integrados, el factor de llenado podría mejorarse aún más al permitir que la matriz superior se optimice para una matriz SPAD de factor de llenado alto y la matriz inferior para circuitos de lectura y procesamiento de señales. [21] Como los procesos de alta velocidad para transistores de dimensión pequeña pueden requerir diferentes optimizaciones que los diodos ópticamente sensibles, los circuitos integrados 3D permiten que las capas se optimicen por separado.
Mejoras ópticas a nivel de píxel
Al igual que con los sensores de imagen CMOS , se pueden fabricar microlentes en la matriz de píxeles SPAD para enfocar la luz en el centro del SPAD. [22] Al igual que con un solo SPAD, esto permite que la luz solo llegue a las regiones sensibles y evite tanto el anillo de protección como cualquier enrutamiento que se necesite dentro de la matriz. Esto también ha incluido recientemente lentes de tipo Fresnel. [23]
Tamaño de píxel
Los métodos de mejora del factor de relleno anteriores, que se concentran principalmente en la geometría SPAD junto con otros avances, han llevado a las matrices SPAD a empujar recientemente la barrera de 1 megapíxel. [24] Si bien esto va por detrás de los sensores de imagen CMOS (con tonos ahora por debajo de 0.8 um), esto es producto tanto de la juventud del campo de investigación (con CMOS SPAD introducidos en 2003) como de las complicaciones de los altos voltajes, la multiplicación de avalanchas dentro del silicio y las reglas de espaciado requeridas.
Esfuerzos de comercialización
Varias empresas notables ahora fabrican o están investigando dispositivos SPAD y utilizan o planean usar SPAD dentro de sus tecnologías. Tanto las aplicaciones de conteo de fotones como las de temporización de fotones pueden utilizar estos dispositivos. ST Microelectronics, Canon, [12] Sony, [25] Tower Semiconductor (antes Tower Jazz), Phillips, [26] Micro Photon Devices (MPD), AMS, IDQuantique y Laser Components ahora ofrecen CMOS SPAD y matrices, aunque esta lista es No exhaustivo. Las tecnologías relacionadas de fotomultiplicadores de silicio de estado sólido (Si-PM) y contadores de fotones de píxeles múltiples (MPPC) se han comercializado y están disponibles a través de empresas como Ketek, On-Semiconductor (antes SensL) y Hamamatsu. Varias empresas enfocadas en aplicaciones también han adoptado SPAD para la medición del rango de tiempo de vuelo u ofrecen módulos integrados de conteo de fotones o de temporización de fotones (Excelitas). Ver enlaces externos .
Comparación con APD
Si bien tanto los APD como los SPAD son uniones pn de semiconductores que están fuertemente polarizadas inversamente, la principal diferencia en sus propiedades se deriva de sus diferentes puntos de polarización en la característica IV inversa, es decir, el voltaje inverso aplicado a su unión. [1] Un APD , en comparación con un SPAD, no está polarizado por encima de su voltaje de ruptura. Esto se debe a que se sabe que la multiplicación de los portadores de carga se produce antes de la avería del dispositivo y se utiliza para lograr una ganancia estable que varía con el voltaje aplicado. [27] [28] Para aplicaciones de detección óptica, la avalancha resultante y la corriente subsiguiente en su circuito de polarización están relacionadas linealmente con la intensidad de la señal óptica. [18] Por lo tanto, el APD es útil para lograr una amplificación inicial moderada de señales ópticas de baja intensidad, pero a menudo se combina con un amplificador de impedancia trans (TIA) ya que la salida del APD es una corriente en lugar del voltaje de un amplificador típico. La señal resultante es una versión amplificada y no distorsionada de la entrada, lo que permite la medición de procesos complejos que modulan la amplitud de la luz incidente. Los factores de ganancia de multiplicación internos para los APD varían según la aplicación, sin embargo, los valores típicos son del orden de unos pocos cientos. La avalancha de portaaviones no es divergente en esta región operativa, mientras que la avalancha presente en los SPAD se convierte rápidamente en una condición de fuga (divergente). [2]
En comparación, los SPAD operan a un voltaje de polarización por encima del voltaje de ruptura. Este es un régimen por encima de la ruptura tan altamente inestable que un solo fotón o un solo electrón de corriente oscura pueden desencadenar una avalancha significativa de portadores. [1] La unión pn del semiconductor se rompe por completo y se desarrolla una corriente significativa. Un solo fotón puede desencadenar un pico de corriente equivalente a miles de millones de miles de millones de electrones por segundo (y esto depende del tamaño físico del dispositivo y su voltaje de polarización). Esto permite que los circuitos electrónicos posteriores cuenten fácilmente tales eventos de activación. [29] Como el dispositivo produce un evento de activación, el concepto de ganancia no es estrictamente compatible. Sin embargo, como la eficiencia de detección de fotones (PDE) de los SPAD varía con el voltaje de polarización inversa, [2] [30] la ganancia, en un sentido conceptual general, se puede utilizar para distinguir dispositivos que están fuertemente polarizados y, por lo tanto, altamente sensibles en comparación con ligeramente sesgado y, por tanto, de menor sensibilidad. Mientras que los APD pueden amplificar una señal de entrada preservando cualquier cambio en la amplitud, los SPAD distorsionan la señal en una serie de eventos de disparo o pulso. La salida aún se puede tratar como proporcional a la intensidad de la señal de entrada, sin embargo, ahora se transforma en la frecuencia de los eventos de activación, es decir, modulación de frecuencia de pulsos (PFM). Los pulsos se pueden contar [5] dando una indicación de la intensidad óptica de la señal de entrada, mientras que los pulsos pueden activar circuitos de temporización para proporcionar mediciones precisas de la hora de llegada. [1] [2]
Un problema crucial presente en los APD es el ruido de multiplicación inducido por la variación estadística del proceso de multiplicación de avalanchas. [27] [2] Esto conduce a un factor de ruido correspondiente en la fotocorriente amplificada de salida. La variación estadística en la avalancha también está presente en los dispositivos SPAD, sin embargo, debido al proceso de desbordamiento, a menudo se manifiesta como una fluctuación de tiempo en el evento de detección. [2]
Junto con su región de polarización, también existen diferencias estructurales entre APD y SPAD, principalmente debido al aumento de los voltajes de polarización inversa requeridos y la necesidad de que los SPAD tengan un período de inactividad prolongado entre los eventos de activación de ruido para que sean adecuados para las señales de nivel de fotón único. para ser medido.
Historia, desarrollo y pioneros
La historia y el desarrollo de los SPAD y APD comparten una serie de puntos importantes con el desarrollo de tecnologías de estado sólido, como los diodos y los primeros transistores de unión p – n (en particular, los esfuerzos de guerra en Bell Labs). John Townsend en 1901 y 1903 investigó la ionización de los gases traza dentro de los tubos de vacío y descubrió que a medida que aumentaba el potencial eléctrico, los átomos y moléculas gaseosos podían ionizarse por la energía cinética de los electrones libres acelerados a través del campo eléctrico. Los nuevos electrones liberados fueron entonces ellos mismos acelerados por el campo, produciendo nuevas ionizaciones una vez que su energía cinética alcanzó niveles suficientes. Esta teoría fue más tarde instrumental en el desarrollo del thyratron y el tubo Geiger-Mueller . La descarga de Townsend también fue fundamental como teoría base para los fenómenos de multiplicación de electrones (tanto en CC como en CA), tanto en el silicio como en el germanio. [ cita requerida ]
Sin embargo, los principales avances en el descubrimiento temprano y la utilización del mecanismo de ganancia de avalancha fueron producto del estudio de la ruptura de Zener , los mecanismos de ruptura relacionados ( avalancha) y los defectos estructurales en los primeros transistores de silicio y germanio y dispositivos de unión p-n. [31] Estos defectos se denominaron " microplasmas " y son fundamentales en la historia de los APD y SPAD. Asimismo, la investigación de las propiedades de detección de luz de las uniones p – n es crucial, especialmente los hallazgos de Russel Ohl a principios de la década de 1940 . La detección de luz en semiconductores y sólidos a través del efecto fotoeléctrico interno es más antigua con Foster Nix [32] apuntando al trabajo de Gudden y Pohl en la década de 1920, [ cita requerida ] quienes usan la frase primario y secundario para distinguir los efectos fotoeléctricos internos y externos. respectivamente. En las décadas de 1950 y 1960, se hizo un esfuerzo significativo para reducir el número de fuentes de ruido y degradación de microplasmas, y se fabricaron microplasmas artificiales para su estudio. Quedó claro que el mecanismo de avalancha podría ser útil para la amplificación de la señal dentro del propio diodo, ya que tanto la luz como las partículas alfa se utilizaron para el estudio de estos dispositivos y mecanismos de avería. [ cita requerida ]
A principios de la década de 2000, los SPAD se implementaron dentro de los procesos CMOS . Esto ha aumentado radicalmente su rendimiento (tasa de recuento oscuro, fluctuación, tamaño de píxeles de la matriz, etc.) y ha aprovechado los circuitos analógicos y digitales que se pueden implementar junto con estos dispositivos. Los circuitos notables incluyen conteo de fotones usando contadores digitales rápidos, temporización de fotones usando convertidores de tiempo a digital (TDC) y convertidores de tiempo a analógico (TAC), circuitos de enfriamiento pasivo que usan transistores NMOS o PMOS en lugar de resistencias de polisilicio , circuitos de apagado y reinicio activos para altas tasas de conteo y muchos bloques de procesamiento de señales digitales en el chip. Estos dispositivos, que ahora alcanzan factores de relleno óptico de> 70%, con> 1024 SPAD, con DCR <10 Hz y valores de fluctuación en la región de 50ps, ahora están disponibles con tiempos muertos de 1-2ns. [ cita requerida ] Los dispositivos recientes han aprovechado las tecnologías 3D-IC como las vías de silicio (TSV) para presentar una capa CMOS superior optimizada para SPAD de alto factor de relleno (nodo de 90 nm o 65 nm) con un procesamiento y lectura de señales dedicados Capa CMOS (nodo de 45 nm). Se han obtenido avances significativos en los términos de ruido para SPAD mediante herramientas de modelado de procesos de silicio como TCAD, donde los anillos de protección, las profundidades de unión y las estructuras y formas de los dispositivos se pueden optimizar antes de la validación mediante estructuras SPAD experimentales.
Ver también
- Fotodiodo de avalancha (APD)
- Unión PN
- Fotomultiplicador de silicio (SiPM)
- Sensor de imagen binaria sobremuestreado
Referencias
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