Un diodo de avalancha de fotón único ( SPAD ), también llamado fotodiodo de avalancha en modo Geiger [1] ( G-APD o GM-APD [2] ) es un fotodetector de estado sólido dentro de la misma familia que los fotodiodos y los fotodiodos de avalancha (APD). , al mismo tiempo que está fundamentalmente vinculado con los comportamientos básicos de los diodos . Al igual que los fotodiodos y los APD, un SPAD se basa en una unión pn semiconductora que puede iluminarse con radiación ionizante como gamma, rayos X, partículas beta y alfa junto con una amplia porción del espectro electromagnético del ultravioleta (UV). a través de las longitudes de onda visibles y en el infrarrojo (IR).
En un fotodiodo, con un voltaje de polarización inversa bajo , 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, [3] [4] la polarización inversa es tan alta que se produce un fenómeno llamado ionización por impacto que puede provocar que se desarrolle una corriente de avalancha. Simplemente, un portador fotogenerado es acelerado por el campo eléctrico del dispositivo hasta alcanzar una energía cinética que es suficiente para superar la energía de ionización del material a granel, eliminando electrones de un átomo. Una gran avalancha de portadores actuales crece exponencialmente y puede desencadenarse desde tan solo un portador iniciado por un solo fotón. Un SPAD es capaz de detectar fotones individuales proporcionando pulsos de activación de corta duración que pueden contarse. Sin embargo, también se pueden utilizar para obtener el tiempo de llegada del fotón incidente debido a la alta velocidad que alcanza la avalancha y al bajo jitter temporal 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 ruidos indebidos. 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 disparo o "clic". La región de polarización del diodo que da lugar a este comportamiento de tipo "clic" se denomina, por tanto, región " modo Geiger ".
Al igual que con los fotodiodos, la región de longitud de onda en la que es más sensible es producto de las propiedades del material, 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 desbocada. Hay mucha investigación en este tema con actividad implementando sistemas basados en SPAD en tecnologías de fabricación CMOS , [5] e investigación y uso de combinaciones de materiales III-V [6] para la detección de fotón único en longitudes de onda dedicadas.
Desde la década de 1970, las aplicaciones de SPAD han aumentado significativamente. Ejemplos recientes de su uso incluyen LIDAR , imágenes 3D de tiempo de vuelo (ToF), escaneo PET , experimentación con fotón único dentro de la física, microscopía de vida de fluorescencia y comunicaciones ópticas (particularmente distribución de claves cuánticas ).
Los SPAD son dispositivos semiconductores que se basan en una unión p-n con polarización inversa a un voltaje de funcionamiento que excede el voltaje de ruptura de las uniones ( Figura 1 ). [3] "Con esta polarización, el campo eléctrico es tan alto [superior a 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 [sub- tiempo de subida de nanosegundos] a un nivel estable macroscópico en el rango de miliamperios. Si la portadora primaria es fotogenerada, el borde anterior del pulso de avalancha marca [con fluctuación de tiempo de picosegundos] el tiempo de llegada del fotón detectado . [3] La corriente continúa hasta que la avalancha se apaga reduciendo el voltaje de polarización hasta o por debajo del voltaje de ruptura: [3] el campo eléctrico inferior ya no puede acelerar a los portadores para ionizarlos por impacto con los átomos de la red , por lo tanto, la corriente cesa. Para poder detectar otro fotón, la tensión de polarización debe volver a elevarse por encima de la ruptura. [3]
"Esta operación requiere un circuito adecuado, que debe:
Este circuito generalmente se conoce como circuito de extinción." [3]
Una unión pn de semiconductor 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 funcionar como un fotodiodo de ganancia unitaria . A medida que aumenta la polarización inversa, puede producirse cierta ganancia interna a través de la multiplicación de la portadora, 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 denomina voltaje de ruptura, VBD. Un SPAD tiene polarización inversa con un voltaje de polarización excesivo, V ex , 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. Por lo tanto , la polarización total (VBD+V ex ) excede el voltaje de ruptura hasta tal punto que "con esta polarización, el campo eléctrico es tan alto [superior a 3×10 5 V/cm] que un solo portador de carga inyectado en el agotamiento La capa puede desencadenar una avalancha autosostenida. La corriente aumenta rápidamente [tiempo de subida por debajo de un nanosegundo] hasta un nivel estable macroscópico en el rango de miliamperios. Si la portadora primaria es fotogenerada, el borde anterior del pulso de la avalancha marca [con. Jitter de tiempo de picosegundos] el tiempo de llegada del fotón detectado ". [3]
Como la característica de corriente versus voltaje (IV) de una unión pn brinda información sobre el comportamiento de conducción del diodo, esto a menudo se mide utilizando un trazador de curva analógico. Esto barre el voltaje de polarización en pasos finos bajo condiciones de laboratorio estrictamente controladas. Para un SPAD, sin llegadas de fotones ni 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) sobre la unión, aparte de una pequeña corriente de fuga ( nanoamperios). Esta condición puede describirse como una "derivación" de la característica.
Sin embargo, cuando se realiza este experimento, se puede observar un efecto de "parpadeo" y una segunda característica IV más allá de la ruptura. Esto ocurre cuando el SPAD ha experimentado un evento desencadenante (llegada de fotones o portadora generada 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 en rama" de la característica IV. A medida que el trazador de curva aumenta la magnitud del voltaje de polarización con el 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 fuera a la derivación, y comienza a fluir una corriente apreciable. Esto conduce al parpadeo de la característica IV que se observa y que los primeros investigadores en el campo denominaron "bifurcación" [4] (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 procesos internos de generación y recombinación. Para reducir la generación térmica, los dispositivos suelen enfriarse, mientras que fenómenos como la formación de túneles a través de las uniones pn también deben reducirse mediante un diseño cuidadoso de dopantes semiconductores y pasos de implante. Finalmente, para reducir los mecanismos de ruido que se ven exacerbados por los centros de captura dentro de la estructura de banda prohibida de la unión pn, el diodo debe tener un proceso "limpio" libre de dopantes erróneos.
El circuito de extinción más simple se denomina comúnmente circuito de extinción pasivo y comprende una única resistencia en serie con el SPAD. Esta configuración experimental se ha utilizado desde los primeros estudios sobre la rotura de avalanchas en los cruces . La corriente de avalancha se autoapaga simplemente porque desarrolla una caída de voltaje a través de una carga de balastro de alto valor R L (alrededor de 100 kΩ o más). Después de apagar la corriente de avalancha, la polarización SPAD se recupera lentamente a la polarización operativa 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. presentan una descripción detallada del proceso de enfriamiento. [3]
Un enfriamiento más avanzado, que se exploró a partir de la década de 1970, 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 del voltaje de ruptura (extinción activa) y luego, con relativa rapidez, regresa el voltaje de polarización por encima del voltaje de ruptura, listo para detectar el siguiente fotón. Este modo se llama 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 significativamente reducida del tiempo muerto.
La intensidad de la señal de entrada se puede obtener contando ( conteo 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 fluorescencia de por vida . Sin embargo, mientras el circuito de recuperación de avalanchas apaga la avalancha y restaura la polarización, el SPAD no puede detectar más llegadas de fotones. Los fotones (o recuentos de oscuridad o pulsos posteriores) que lleguen al detector durante este breve período no se cuentan. A medida que el número de fotones aumenta de manera que el intervalo de tiempo (estadístico) entre fotones se sitúa 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 alejarse 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, hasta el punto en que el SPAD inmediatamente se avalancha en el momento en que el circuito de recuperación de avalanchas restablece el sesgo, la tasa de conteo alcanzaría un máximo definido puramente por el tiempo de recuperación de avalancha en el caso de extinción activa (cien millones de conteos). por segundo o más [7] ). 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 mientras el SPAD se está recargando pasivamente tiene una menor probabilidad de detección, pero puede extender el tiempo muerto. Vale la pena señalar que el enfriamiento pasivo, si bien es más sencillo de implementar en términos de circuitos, conlleva una reducción de 1/e en las tasas máximas de conteo.
Además de los portadores generados por fotones, los portadores generados térmicamente (a través de procesos de generación-recombinación 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 promedio resultante de conteos por segundo se llama tasa de conteo en oscuridad (DCR) y es el parámetro clave para definir el ruido del detector. Vale la pena señalar que el recíproco de la tasa de conteo 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, correspondientes a una tasa de conteo muy por debajo de mil conteos por segundo, cps). .
Otro efecto que puede desencadenar una avalancha se conoce como pospulsación. Cuando ocurre una avalancha, la unión PN se inunda con portadores de carga y los niveles de trampa entre la banda de valencia y de conducción se ocupan en un grado mucho mayor de lo esperado en una distribución de portadores de carga en equilibrio térmico. 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 una cantidad significativa de pulsos adicionales a partir de un único evento térmico o de fotogeneración de origen. El grado de postpulso se puede cuantificar midiendo la autocorrelación de los tiempos de llegada entre avalanchas cuando se configura una medición de conteo de oscuridad. La generación térmica produce estadísticas Poissonianas con una autocorrelación de función de impulso, y la pulsación posterior produce estadísticas no Poissonianas.
El borde de ataque de la 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 se basan en el 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. La segunda 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 y d) la fluctuación de la detección y circuitos de temporización.
Para un solo SPAD, la relación entre su área ópticamente sensible, A act , y su área total, A tot , se denomina factor de relleno , FF = (A act / A tot ) × 100% . Como los SPAD requieren un anillo protector [3] [4] para evitar la rotura 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 protector. Si el área activa es grande y el anillo protector exterior es delgado, el dispositivo tendrá un factor de llenado alto. Con un solo dispositivo, el método más eficaz para garantizar la utilización total 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 provocar una avalancha.
El factor de relleno es más aplicable cuando consideramos conjuntos de dispositivos SPAD. [5] [8] Aquí el área activa del diodo puede ser pequeña o proporcional al 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 con respecto a otro, es decir, la separación mínima de SPAD. Esto conduce a una situación en la que el área de la matriz queda dominada por el anillo de protección y las regiones de separación en lugar de por uniones pn ópticamente receptivas. El factor de llenado empeora cuando se deben incluir circuitos dentro de la matriz, ya que esto añade 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 con CMOS, las detecciones erróneas causadas por recuentos de oscuridad aumentan a medida que aumenta el tamaño del diodo. [9]
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. [10] Esto fue efectivo pero complicó el enrutamiento y el diseño de la matriz.
Para abordar las limitaciones del factor de relleno dentro de 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 cuadrada y tienen relaciones de empaquetamiento 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 protector y, en consecuencia, producen SPAD con altas tasas de conteo de oscuridad. Para lograr un compromiso, se han fabricado SPAD cuadrados con esquinas suficientemente redondeadas. [11] Estos se denominan SPAD con 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" para que sean 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 para un bajo ruido y un alto factor de relleno, los parámetros de la forma deberían estar libres de estas restricciones.
Para minimizar el espacio entre las áreas activas de SPAD, los investigadores eliminaron todos los circuitos activos de las matrices [12] y también exploraron el uso de matrices SPAD CMOS solo NMOS para eliminar el anillo de protección SPAD según las reglas de espaciado de n pozos PMOS. [13] 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 ampliado para desarrollar conjuntos que utilizan grupos de SPAD en los llamados arreglos mini-SiPM [12] mediante los cuales se proporciona un conjunto más pequeño con su circuito activo en un borde, lo que permite que un segundo conjunto pequeño se apoye en un borde diferente. . Esto redujo las dificultades de enrutamiento al mantener manejable la cantidad de diodos en el grupo y crear la cantidad requerida de SPAD en total a partir de colecciones de esos grupos.
Se logró un salto significativo en el factor de relleno y el tamaño de los píxeles de la matriz al compartir el pozo n profundo de los SPAD en procesos CMOS, [14] [12] y, más recientemente, también compartir partes de la estructura del anillo de protección. [15] Esto eliminó una de las principales reglas de separación entre anillos de protección y permitió que el factor de llenado aumentara hacia el 60 [16] o el 70%. [17] [18] La idea de compartir n-pozos y anillos de protección ha sido crucial en los esfuerzos por reducir el tamaño de los píxeles y aumentar el número total de diodos en la matriz. Recientemente, los tonos SPAD se han reducido a 3,0 um [19] y 2,2 um. [15]
Adaptando 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. [20] Al hacerlo, se puede lograr una gran área de recolección óptica con una región SPAD más pequeña.
Otro concepto adaptado 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 (azul) tienden a ser absorbidos a una profundidad de absorción corta, es decir, cerca de la superficie del silicio. [21] Los fotones rojos e infrarrojos (de menor energía) viajan más profundamente en el silicio. Si hay una unión a esa profundidad, se puede mejorar la sensibilidad al rojo y al IR. [22] [23]
Con el avance de las tecnologías de circuitos integrados 3D , es decir, el apilamiento de circuitos integrados, el factor de llenado podría mejorarse aún más permitiendo que el troquel superior se optimice para una matriz SPAD de alto factor de llenado y el troquel inferior para circuitos de lectura y procesamiento de señales. [24] Dado que los procesos de alta velocidad y pequeñas dimensiones para transistores pueden requerir optimizaciones diferentes a las de los diodos ópticamente sensibles, los circuitos integrados 3D permiten que las capas se optimicen por separado.
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. [25] 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 necesario dentro de la matriz. Esto también ha incluido recientemente lentes tipo Fresnel. [26]
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 superar recientemente la barrera de 1 megapíxel. [27] Si bien esto va por detrás de los sensores de imagen CMOS (con tonos ahora inferiores a 0,8 um), esto es producto tanto de la juventud del campo de investigación (con los SPAD CMOS introducidos en 2003) como de las complicaciones de los altos voltajes, la multiplicación de avalanchas dentro del silicio y las reglas de espaciado requeridas.
Si bien tanto los APD como los SPAD son uniones pn de semiconductores que tienen una fuerte polarización inversa, 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. [3] 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 ocurre antes de la falla del dispositivo y esto se utiliza para lograr una ganancia estable que varía con el voltaje aplicado. [28] [29] Para aplicaciones de detección óptica, la avalancha resultante y la corriente posterior en su circuito de polarización están relacionadas linealmente con la intensidad de la señal óptica. [21] 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 transimpedancia (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 medir procesos complejos que modulan la amplitud de la luz incidente. Los factores de ganancia de multiplicación interna para los APD varían según la aplicación; sin embargo, los valores típicos son del orden de unos pocos cientos. La avalancha de transportistas no es divergente en esta región operativa, mientras que la avalancha presente en los SPAD rápidamente se convierte en una condición de fuga (divergente). [4]
En comparación, los SPAD funcionan con un voltaje de polarización superior al voltaje de ruptura. Se trata de un régimen por encima de la ruptura tan altamente inestable que un solo fotón o un solo electrón de corriente oscura puede desencadenar una avalancha significativa de portadores. [3] 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 (esto depende del tamaño físico del dispositivo y su voltaje de polarización). Esto permite que los circuitos electrónicos posteriores cuenten fácilmente dichos eventos de activación. [30] Como el dispositivo produce un evento desencadenante, 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, [4] [31] la ganancia, en un sentido conceptual general, se puede utilizar para distinguir dispositivos que están muy polarizados y, por lo tanto, son altamente sensibles en comparación con los ligeramente sesgados 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 puede tratarse 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 pulso (PFM). Los pulsos se pueden contar [7] 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 del tiempo de llegada. [3] [4]
Un problema crucial presente en los APD es el ruido de multiplicación inducido por la variación estadística del proceso de multiplicación de la avalancha. [28] [4] Esto conduce a un factor de ruido correspondiente en la corriente fotográfica amplificada de salida. La variación estadística en la avalancha también está presente en los dispositivos SPAD; sin embargo, debido al proceso descontrolado, a menudo se manifiesta como fluctuación de tiempo en el evento de detección. [4]
Junto con su región de polarización, también existen diferencias estructurales entre los APD y los SPAD, principalmente debido al aumento de los voltajes de polarización inversa necesarios y a la necesidad de que los SPAD tengan un largo período de reposo entre eventos de activación de ruido para que sean adecuados para las señales de nivel de fotón único. para ser medido.
La historia y el desarrollo de SPAD y APD comparten una serie de puntos importantes con el desarrollo de tecnologías de estado sólido como diodos y los primeros transistores de unión p-n (particularmente los esfuerzos de guerra en Bell Labs). John Townsend en 1901 y 1903 investigó la ionización de gases traza dentro de tubos de vacío y descubrió que a medida que aumentaba el potencial eléctrico, los átomos y moléculas gaseosos podían ionizarse mediante la energía cinética de los electrones libres acelerados a través del campo eléctrico. Los nuevos electrones liberados fueron entonces 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 tiratrón y del tubo Geiger-Mueller . La descarga de Townsend también fue fundamental como teoría base para los fenómenos de multiplicación de electrones (tanto CC como CA), tanto en el silicio como en el germanio. [ cita necesaria ]
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 Zener , los mecanismos de ruptura relacionados (avalancha) y los defectos estructurales en los primeros transistores de silicio y germanio y en los dispositivos de unión p-n. [32] Estos defectos se denominaron " microplasmas " y son fundamentales en la historia de las 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: Foster Nix [33] señala el trabajo de Gudden y Pohl en la década de 1920, [ cita necesaria ] quienes usan la frase primario y secundario para distinguir los efectos fotoeléctricos internos y externos. respectivamente. En las décadas de 1950 y 1960, se hicieron esfuerzos significativos para reducir el número de descomposición de microplasmas y fuentes de ruido, fabricándose microplasmas artificiales para su estudio. Quedó claro que el mecanismo de avalancha podría ser útil para amplificar la señal dentro del propio diodo, ya que para el estudio de estos dispositivos y mecanismos de ruptura se utilizaron tanto luz como partículas alfa. [ cita necesaria ]
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 de oscuridad, fluctuación, paso 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 el conteo de fotones usando contadores digitales rápidos, sincronización de fotones usando convertidores de tiempo a digital (TDC) y convertidores de tiempo a analógico (TAC), circuitos de extinción pasiva que usan transistores NMOS o PMOS en lugar de resistencias de polisilicio. , circuitos activos de extinción y reinicio para altas tasas de conteo y muchos bloques de procesamiento de señales digitales en chip. Dichos dispositivos, que ahora alcanzan factores de llenado óptico de >70 %, con >1024 SPAD, con DCR < 10 Hz y valores de fluctuación en la región de 50 ps, ahora están disponibles con tiempos muertos de 1 a 2 ns. [ cita necesaria ] Los dispositivos recientes han abandonado las tecnologías 3D-IC, como las vías de silicio (TSV), para presentar una capa CMOS superior optimizada para SPAD con factor de llenado alto (nodo de 90 nm o 65 nm) con lectura y procesamiento de señal dedicados Capa CMOS (nodo de 45 nm). Se han obtenido avances significativos en términos de ruido para SPAD mediante herramientas de modelado de procesos de silicio como TCAD, donde los anillos protectores, las profundidades de las uniones y las estructuras y formas de los dispositivos se pueden optimizar antes de la validación mediante estructuras SPAD experimentales.
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