DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07076-x
تاريخ النشر: 2024-02-21
المؤلف: Neil Na وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الاستشعار البصري المتقدمة
نظرة عامة
لقد أثرت القدرة على اكتشاف الفوتونات الفردية بشكل كبير على مجالات البحث المختلفة. على الرغم من تطوير العديد من كواشف الفوتونات الفردية، إلا أن الصمامات الثنائية الانهيارية (SPADs) القائمة على السيليكون فقط هي التي حققت استخدامًا واسع النطاق في الإلكترونيات الاستهلاكية، ويرجع ذلك أساسًا إلى متطلبات تشغيلها عند درجات حرارة منخفضة وعدم توافقها مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات المعدنية-أكسيد-المكمل (CMOS). مع تحول الطلب نحو الأطوال الموجية الأقصر في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الطول (SWIR) من أجل تعزيز السلامة والأداء، هناك حاجة ملحة لحلول بديلة، نظرًا لأن السيليكون يظهر امتصاصًا ضوئيًا ضئيلًا بعد 1 ميكرومتر.
تقدم هذه الدراسة صمام ثنائي انهياري (SPAD) عالي الأداء من الجرمانيوم-سيليكون (GeSi) متوافق مع CMOS يعمل في درجة حرارة الغرفة، مما يظهر تحسينًا ملحوظًا في القدرة المعادلة للضوضاء (NEP) بمقدار 2 إلى 3.5 أوامر من حيث الحجم مقارنةً بالصمامات الثنائية السابقة القائمة على الجرمانيوم. يظهر الجهاز مقاييس أداء رئيسية، بما في ذلك معدل العد المظلم (DCR) يبلغ 19 كيلو هرتز/ميكرومتر²، واحتمالية اكتشاف الفوتون الفردي (SPDP) تبلغ 12% عند 1310 نانومتر، واهتزاز زمني أقل من 188 بيكوثانية، ووقت خاصية بعد النبض يبلغ 90 نانوثانية، واحتمالية بعد النبض (APP) أقل من 1%. بالإضافة إلى ذلك، يعمل عند جهد انهيار منخفض يبلغ 10.3 فولت مع انحياز زائد صغير يبلغ 0.75 فولت. تعتبر القدرة الناجحة على التقاط صور سحابية ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية زمن الرحلة المباشرة دليلًا على مفهوم التطبيق المحتمل لهذه المستشعرات في التقنيات اليومية، بما في ذلك تصوير SWIR والدارات الضوئية المتكاملة.
طرق
توضح قسم “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، يتضمن تحليلات إحصائية لتقييم البيانات المجمعة من تجارب مختلفة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لملاحظة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء التحليل باستخدام أدوات برمجية قادرة على التعامل مع نماذج إحصائية معقدة، مما يسمح بتقييم العلاقات بين المتغيرات. تم اشتقاق النتائج الرئيسية من اختبار الفرضيات، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05، مما يشير إلى العتبة لتحديد الأهمية الإحصائية. بشكل عام، كانت الطرق المستخدمة مصممة بدقة لضمان نتائج قوية وقابلة للتكرار.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تطوير وتوصيف صمام ثنائي انهياري (SPAD) بقطر 15 ميكرومتر من الجرمانيوم-سيليكون (GeSi) تم تصنيعه باستخدام عملية متوافقة مع CMOS. يظهر الجهاز أداءً استثنائيًا في درجة حرارة الغرفة، حيث يحقق قدرة معادلة للضوضاء (NEP) تبلغ بضع فواتير/√هرتز، وهو أقل بكثير من الصمامات الثنائية السابقة القائمة على الجرمانيوم، ويرجع ذلك أساسًا إلى تيار الظلام المنخفض بشكل ملحوظ والذي يبلغ حوالي 20 بيكو أمبير عند جهد الاختراق. يُعزى هذا التقدم إلى استراتيجيات فعالة تعالج التشوهات الخيطية، وتمرير السطح، وإدارة الحقول الكهربائية العالية في مناطق المواد ذات الجودة المنخفضة. إن NEP لصمام GeSi SPAD تنافسي مع الصمامات الثنائية القائمة على InGaAs، وخصائص بعد النبض الخاصة به محسنة بشكل ملحوظ، مما يشير إلى مزايا محتملة لتطبيقات معينة.
يتضمن توصيف صمام GeSi SPAD قياسات تفصيلية للتيار-الجهد وتقييمات لمعدل العد المظلم (DCR)، مما يكشف عن أدنى تيار مظلم تم الإبلاغ عنه على الإطلاق للأجهزة القائمة على الجرمانيوم. يزداد DCR مع درجة الحرارة، مما يشير إلى أن العيوب بالقرب من حواف نطاق الجرمانيوم تسهم في توليد تيار الظلام. يستكشف المؤلفون أيضًا سلوك بعد النبض، ويجدون أن احتمال بعد النبض والوقت الخاص به قابلان للمقارنة مع تلك الخاصة بالصمامات الثنائية القائمة على السيليكون، مما يبرز الجودة البلورية العالية لجهاز GeSi. تشير النتائج إلى أن صمام GeSi SPAD قد يتفوق على الصمامات الثنائية القائمة على InGaAs الحالية في تطبيقات مثل LiDAR متعدد اللقطات، مما يمهد الطريق لمزيد من التطورات في الأجهزة والدارات الضوئية المتوافقة مع تقنية CMOS. ستركز الأعمال المستقبلية على توسيع مساحة الجهاز، وتقليل مقاومة الاتصال، والتكامل مع الدارات CMOS.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07076-x
Publication Date: 2024-02-21
Author(s): Neil Na et al.
Primary Topic: Advanced Optical Sensing Technologies
Overview
The ability to detect single photons has significantly impacted various research domains. Despite the development of multiple single-photon detectors, only silicon-based single-photon avalanche diodes (SPADs) have achieved widespread use in consumer electronics, primarily due to their operational requirements at cryogenic temperatures and incompatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) fabrication processes. As the demand shifts towards shorter wavelengths in the short-wavelength infrared (SWIR) range for enhanced safety and performance, there is a pressing need for alternative solutions, given that silicon exhibits minimal optical absorption beyond 1 µm.
This study introduces a CMOS-compatible, high-performance germanium-silicon (GeSi) SPAD that operates at room temperature, demonstrating a remarkable improvement in noise-equivalent power (NEP) by 2 to 3.5 orders of magnitude compared to previous Ge-based SPADs. The device exhibits key performance metrics, including a dark count rate (DCR) of 19 kHz/µm², a single-photon detection probability (SPDP) of 12% at 1310 nm, a timing jitter of less than 188 ps, an after-pulsing characteristic time of 90 ns, and an after-pulsing probability (APP) of less than 1%. Additionally, it operates at a low breakdown voltage of 10.3 V with a small excess bias of 0.75 V. The successful capture of three-dimensional point-cloud images using a direct time-of-flight technique serves as a proof of concept for the potential application of these sensors in everyday technologies, including SWIR imaging and photonic integrated circuits.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research questions. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity. The analysis was performed using software tools capable of handling complex statistical models, allowing for the assessment of relationships between variables. Key findings were derived from hypothesis testing, with significance levels set at p < 0.05, indicating the threshold for determining statistical relevance. Overall, the methods employed were rigorously designed to ensure robust and reproducible results.
Discussion
In this section, the authors present the development and characterization of a 15 µm diameter Germanium-Silicon (GeSi) Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) fabricated using a CMOS-compatible process. The device demonstrates exceptional performance at room temperature, achieving a noise equivalent power (NEP) of a few fW/√Hz, significantly lower than previously reported Ge-based SPADs, primarily due to its remarkably low dark current of approximately 20 pA at the punch-through voltage. This advancement is attributed to effective strategies addressing threading dislocations, surface passivation, and the management of high electric fields in low-quality material regions. The GeSi SPAD’s NEP is competitive with InGaAs-based SPADs, and its after-pulsing characteristics are notably improved, suggesting potential advantages for specific applications.
The characterization of the GeSi SPAD includes detailed current-voltage measurements and dark count rate (DCR) evaluations, revealing the lowest dark current ever reported for Ge-based devices. The DCR increases with temperature, indicating that defects near the Ge band edges contribute to dark current generation. The authors also explore after-pulsing behavior, finding that the after-pulsing probability and characteristic time are comparable to those of silicon-based SPADs, underscoring the high crystalline quality of the GeSi device. The findings suggest that the GeSi SPAD could outperform existing InGaAs-based SPADs in applications such as multi-shot LiDAR, paving the way for further developments in optoelectronic devices and circuits compatible with CMOS technology. Future work will focus on scaling the device area, minimizing contact resistance, and integrating with CMOS circuits.