Оглавление
Однофотонные лавинные диоды (SPAD) позволяют обнаруживать одиночные фотоны, что делает их исключительно чувствительными при очень низком уровне освещенности. Они также позволяют с высокой точностью измерять время обнаружения фотонов, с точностью до нано или даже пикосекунды. Хотя на определенных длинах волн они имеют более низкую квантовую эффективность по сравнению с фотодиодами и лавинными фотодиодами, их способность обнаруживать очень низкие уровни освещенности делает их все более важными в таких требовательных областях применения, как лидары, датчики изображения и квантовые технологии.
👉 SPAD-диоды детектируют свет, измеряя импульсы лавинного фототока в p-n-переходе при обратном смещении, запускаемые одиночными фотонами. Фундаментальное отличие от типовых лавинных фотодиодов заключается в том, что они работают при напряжении обратного смещения, превышающем напряжение пробоя перехода.
Напомним, что обычные фотодиоды работают с обратным смещением. Лавинные фотодиоды работают в вольт-амперной характеристике, где коэффициент усиления изменяется экспоненциально с увеличением напряжения смещения, близкого к напряжению пробоя перехода. Это позволяет им достигать коэффициента усиления, обычно составляющего от 2000 до 10000. SPAD-диоды, с другой стороны, работают в так называемом режиме Гейгера, то есть с напряжением смещения, превышающим напряжение пробоя перехода (на практике напряжение смещения ограничено прочностью структуры перехода). Это позволяет достичь практически бесконечного коэффициента усиления, при этом каждый отдельный фотон генерирует полный лавинный импульс тока. Прежде чем объяснять особенности SPAD-диодов, стоит рассмотреть основные принципы работы «обычных» лавинных фотодиодов.
Лавинные фотодиоды
Работают при относительно высоком обратном напряжении, обычно в десятки или даже сотни вольт, близком к напряжению пробоя перехода. В результате носители заряда — электроны и дырки, возбужденные поглощенными фотонами, — ускоряются в сильном внутреннем электрическом поле. Их столкновения с атомами в кристаллической решетке генерируют дополнительные электронно-дырочные пары (вторичные носители). Этот процесс протекает лавинным образом, что приводит к значительному внутреннему усилению фототока. Это делает лавинные фотодиоды чувствительными фотодетекторами. Типичные области применения включают приемники в волоконно-оптической связи, дальномеры, высокоскоростные лазерные сканеры, лазерную микроскопию и оптические рефлектометры временной области.
Важным параметром лавинных фотодиодов является отношение генерируемого фототока к падающей оптической мощности (чувствительность). Его высокое значение является результатом лавинного усиления тока. С другой стороны, оно сильно зависит от обратного напряжения и значительно варьируется от фотодиода к фотодиоду. Поэтому производители обычно указывают диапазон напряжений, при котором фотодиоды из конкретной серии достигают определенного отношения фототока к оптической мощности. Следовательно, лавинные фотодиоды ненадежны для точного измерения очень низкой интенсивности света.
Второй ключевой параметр — квантовая эффективность. Это показатель эффективности фотодетектора в преобразовании фотонов в электрический ток. В лавинных фотодиодах она ниже, чем в обычных фотодиодах, квантовая эффективность которых может превышать 90%, хотя обычно она находится в диапазоне 40–80%.
Полоса пропускания лавинных фотодиодов достаточно широка, хотя необходимо учитывать неизбежный компромисс между этим параметром и значением коэффициента усиления. Кроме того, благодаря высокому отношению фототока к оптической мощности, в измерительной цепи можно использовать резистор с меньшим сопротивлением, чем в стандартном фотодиоде. Это может компенсировать любые ограничения скорости работы лавинного фотодиода.
Хотя высокое отношение фототока к оптической мощности снижает влияние шума измерительной системы, этот эффект может быть компенсирован шумом, сопровождающим процесс увеличения лавинного тока, в первую очередь шумом усиления, возникающим из-за случайного характера процесса генерации вторичных носителей заряда.
Кремниевые лавинные фотодиоды используются в диапазоне длин волн от 450 до 1100 нм, с максимальной чувствительностью в диапазоне 600-800 нм. В зависимости от конструктивных особенностей и приложенного обратного напряжения, их коэффициент усиления составляет от 50 до 1000. В более длинных волнах, до примерно 1,7 мкм, используются лавинные фотодиоды на основе германия или арсенида индия-галлия (InGaAs).
Они характеризуются более низким коэффициентом усиления, обычно от 10 до 40. Диоды на основе InGaAs дороже, но имеют более низкий уровень шума и более широкую полосу пропускания. Менее распространенные материалы для лавинных фотодиодов включают нитрид галлия (для обнаружения ультрафиолетового излучения) и теллурид ртути-кадмия (для обнаружения среднеинфракрасного излучения с длиной волны до 14 мкм, в основном в криогенных условиях).
После описания характеристик классических лавинных фотодиодов стоит объяснить, что такое фотонные счетчики. К этой категории относятся SPAD-детекторы.
Фотосчетчики
Некоторые типы фотодетекторов настолько чувствительны, что могут обнаруживать отдельные фотоны света, регистрируя поглощение отдельных элементарных частиц этого типа, а не измеряя интенсивность или оптическую мощность падающего света.
Благодаря достаточно быстрым измерительным системам можно измерить время, необходимое для обнаружения фотона, что важно для будущего квантовых технологий. К сожалению, счетчики фотонов не идеальны, поскольку из-за низкой квантовой эффективности они могут пропускать некоторые падающие фотоны. Они также могут генерировать ложные сигналы, например, из-за теплового шума.
Фотодетекторы, подсчитывающие фотоны, характеризуются несколькими специфическими параметрами. Один из них — скорость темновой регистрации, выраженная в отсчетах в секунду. Это количество импульсов фототока, генерируемых фотодетектором в темноте, — ложные срабатывания, которые не связаны с реальным световым сигналом.
Высокое значение этого параметра ограничивает чувствительность фотодетектора и затрудняет различение истинных сигналов от фонового шума при очень слабом освещении. На практике скорость темновых отсчетов определяет минимальный уровень сигнала, который можно измерить — если она ниже, то остается неясным, представляет ли импульс фототока истинный фотон или ошибку.
Ложные срабатывания в основном вызваны тепловым шумом, генерацией носителей заряда фоновым излучением и туннельными явлениями, происходящими в полупроводниковой структуре. Скорость фонового счета сильно зависит от температуры, поэтому в современных фотодетекторах часто используется охлаждение для ее снижения.
Следующий параметр — мертвое время. Это время, прошедшее после обнаружения фотона до момента обнаружения следующего фотона. Мертвое время определяет максимально возможную скорость подсчета фотонов в секунду.
Квантовая эффективность определяет процент фотонов, падающих на фотодетектор, которые детектируются. Чем ниже эффективность, тем больше фотонов пропускается, что приводит к увеличению шума. Джиттер, в свою очередь, представляет собой неопределенность во времени детектирования фотонов. В некоторых типах фотодетекторов существует значительная, постоянная временная задержка между поглощением фотона и генерацией импульса фототока.
Фотоумножители используются для подсчета фотонов. Эти трубки с охлаждаемым фотокатодом характеризуются низким уровнем темновой составляющей. Их квантовая эффективность достигает нескольких десятков процентов в видимом свете и максимума в несколько процентов в инфракрасном диапазоне. Другим примером являются лавинные фотодиоды, работающие в режиме Гейгера, также известные как SPAD-диоды.
Режим счётчика Гейгера
Переход лавинного фотодиода, смещенный в обратном направлении выше напряжения пробоя, работает в режиме Гейгера, где один фотон, возбуждая электронно-дырочную пару, может инициировать лавину вторичных носителей заряда. Время нарастания обычно находится в пикосекундном диапазоне, что позволяет измерить изменение напряжения, соответствующее этому импульсу фототока, и точно определить время обнаружения фотона.
👉 Для предотвращения разрушения SPAD-диода необходимо как можно быстрее остановить самоподдерживающийся фототоковый лавинный эффект. Поэтому необходимо гасить ток, что достигается кратковременным снижением напряжения смещения ниже напряжения пробоя. Затем это напряжение снова повышается до своего исходного значения, превышающего напряжение пробоя, чтобы следующий фотон мог инициировать следующий фототоковый лавинный эффект. Интервал времени между снижением и повышением напряжения смещения называется мертвым временем. Обычно оно составляет несколько десятков наносекунд. Это неизбежное время восстановления приводит к тому, что полоса пропускания SPAD-диодов обычно достигает десятков мегагерц.
Для сравнения, для лавинных фотодиодов она составляет порядка гигагерц. С точки зрения частоты темных отсчетов, типичное значение этого параметра для SPAD-диодов не превышает 1 кГц, а квантовая эффективность может превышать 50%. Другим важным параметром является вероятность обнаружения фотона (pd), которая определяет вероятность возникновения фототокового лавинного эффекта в ответ на поглощение фотона на определенной длине волны. В видимом свете этот показатель обычно составляет 70%.
Использование SPAD
Спектр применения SPAD-диодов потенциально очень широк. Предполагается, что они будут иметь важное значение, например, в разработке фотонных квантовых компьютеров, в которых отдельные фотоны, или кубиты, будут носителями квантовой информации.
Кроме того, они уже используются для создания датчиков изображения, конкурирующих с традиционными CMOS-сенсорами. Эти датчики изготавливаются в виде матриц SPAD-диодов. Например, датчики изображения Canon размером всего 13,2 мм x 9,9 мм обеспечивают разрешение цветной фотографии 3,2 мегапикселя, превосходящее Full HD (приблизительно 2,07 мегапикселя), даже в условиях низкой освещенности. SPAD-сенсор Canon также может похвастаться временным разрешением 100 пс.
В целом, при сопоставимых условиях освещения, SPAD-сенсоры могут получать изображения с разрешением, аналогичным CMOS-сенсорам, занимая при этом в 10 раз меньший размер. Более того, динамический диапазон CMOS-сенсоров обычно составляет от 60 до 90 дБ, в то время как уже создаются камеры на основе матриц SPAD-диодов, способные снимать 1000 кадров в секунду с динамическим диапазоном 140 дБ.
Датчики изображения на основе технологии SPAD-диодов также открывают возможности для биофотоники. Большие надежды возлагаются, например, на их использование в FLIM (микроскопия с визуализацией времени жизни флуоресценции), методе, широко используемом в молекулярных исследованиях живых тканей и клеток.
