Ion Vornicu, Ricardo Carmona-Galán, Á Rodríguez-Vázquez
Институт микроэлектроники г. Севильи
Испанское научно-исследовательское объединение
Севильский университет
Севилья, Испания
Однофотонные лавинные диоды интегрируются с высокоскоростными времяпролетными преобразователями в инновационных бюджетных фоточувствительных сенсорах.
За последнее десятилетие фоточувствительные КМОП сенсоры (КС) достигли существенного уровня зрелости, а их параметры теперь сравнимы с ПЗС-сенсорами в части качества получаемого изображения. КМОП сенсоры уже полностью заменили собой ПЗС-сенсоры в фотоаппаратуре и мобильных телефонах. Возможность интеграции дополнительных схем на уровне сенсора является основным преимуществом КМОП технологии. Возможно, в будущем КС будут развиваться в направлении захвата изображения в формате 3D, что, в свою очередь, потребует наличия решений активной подсветки.
Самым распространенным подходом для этого является импульсная подсветка с пикосекундным разбросом, когда правильная синхронизация затворов переноса коррелируется с импульсами подсветки для вычисления времени пролета, и, следовательно, объемной структуры. Необходимо, чтобы перенос был четко выверен, что способствует получению практического пространственного разрешения, но, как правило, стандартные КМОП технологии не могут обеспечить этого на хорошем уровне. В качестве альтернативы можно прибегнуть к однофотонным лавинным диодам (SPAD), но их использование требует низкой плотности дефектов, что редко достигается при стандартной КМОП технологии. Однако можно применить некоторые решения «на кристалле» для снижения влияния негативных эффектов.
Разработанный в Институте микроэлектроники г. Севильи (Испания) подход основан на использовании SPAD с временным стробированием. Он позволяет определять прямое время пролета даже с высокой скоростью темнового счета (DCR) и низкой чувствительностью обнаружения фотонов (PDE). Была создана такая архитектура, которая может производить расчеты времени пролета при использовании стандартной КМОП технологии. Самая новейшая модель фотоприемного устройства на основе такой архитектуры, таким образом, раздвигает технологические возможности. В Институте изготовлен чип по технологии 0.18μm-1P6M-1.8V (т.е. с одним поликремниевым и шестью металлическими слоями) с архитектурой на основе внутрипиксельного время-цифрового преобразователя (TDC). Эксперимент показал, что полученный прибор работает устойчиво, и никакой пиксельной калибровки он не требует.
В разработке Института использован собственный импульсный генератор с пикосекундным инкрементальным разрешением на ПЛИС для снятия показаний с чипа. Центральная часть чипа (Рисунок 1) представляет собой матрицу с 64х64 пикселов с ячейками SPAD, являющуюся собственно фотодиодом, с активным контуром гашения и зарядки, с управляющей ИС, с время-цифровым конвертором, блоком памяти и выводными буферами. На Рисунке 2 показана установка, при помощи которой фиксировались показатели работы 3D фотоприемника. Характеристики отдельных SPAD датчиков, равно как и гомогенность матрицы имеют большое значение для проведения замеров. Пучок света равномерно рассеивается по поверхности фотоприемника, и каждый световой импульс управляется синхронизирующим сигналом. Внутрипиксельный время-цифровой конвертер включается сразу при обнаружении фотона лавинным диодом. И соответственно, он выключается синхронизирующим импульсом. Действительное время пролета вычисляется вычитанием замеренного интервала из временного периода лазера.
Рисунок 1. Микрофотография 3Dфотоприемника 64х64 пикселов. PLL: Контур фазовой синхронизации. I/O: ввод/вывод
Рисунок2. Экспериментальная установка для замеров времени пролета. T: Время. λ: Длина волны. FWHM: Полная ширина на полувысоте. Freq: частота. FPGA: ПЛИС.
Созданный в Институте сенсор отличается возможностью использования временного стробирования при работе SPAD. Затвор отсекает большие нерегулярные шумы, например: темнового счета и фонового света. Активный контур гашения и зарядки использует два транзистора для обеспечения работы временного стробирования. Еще одним элементом умного пиксела является время-цифровой конвертер – управляемый контуром фазовой автоподстройки, - который предназначен для установки определенного временного разрешения и полной калибровки фотоприемника в зависимости от варьирования значений давления, плотности и температуры.
Чувствительность сенсора составила 5% в диапазоне 540 мкм, скорость темнового счета – 42 кГц и полная ширина на полувысоте времяпролетной гистограммы – 212 пикосекунды. Замеры проводились при избыточном напряжении в 1 V в условиях комнатной температуры. Длина волны лазера, используемого для расчетов показателей сенсора, составил 447 мкм при тактовой частоте 2,5МГц. Установленная интенсивность соответствующего облучения составила 10nW/мм2 и соответствовала условиям чувствительности в один фотон. Параметры эксперимента составили: временное стробирование – 400 нс, время экспозиции – 20 миллисекунд, временное разрешение для одного время-цифрового конвертора – 160 пикосекунд. Максимальная девиация наименьшего значащего бита на матрице была установлена в значении 3,12 в пределах расстояния между сенсором и лазером, что соответствует интервалу временного разрешения в 5,66 наносекунд, и 20% матрицы показали максимальную девиацию наименьшего значащего бита в пределах 0,2 (см. Рисунок 3). Данные результаты были получены без какой-либо калибровки на пиксельном уровне. Также был реконструирован 3D формат области поверхности путем фокусировки лазерного луча на матрицу (см. Рисунок 4).
Рисунок 3. Графическое изображение гомогенности матрицы фотоприемника. Максимальная девиация наименьшего значимого бита в 3,12 зафиксирована для расстояния между лазером и сенсором, соответствующему интервалу временного разрешения в 5,66 наносекунды.
Рисунок 3. Графическое изображение гомогенности матрицы фотоприемника. Максимальная девиация наименьшего значимого бита в 3,12 зафиксирована для расстояния между лазером и сенсором, соответствующему интервалу временного разрешения в 5,66 наносекунды.
Созданный и протестированный инновационный фотоприемник на основе SPAD может быть интегрирован в стандартную КМОП технологию (например: для медицинского оборудования и систем 3D съемки). Эксперименты показали, что возможно получение изображения в формате 3D при точном вычислении времени пролета даже при высоком уровне сторонних шумов благодаря использованию временного стробирования, установленного на фронтальной поверхности сенсора. В настоящее время в Институте ведутся работы по созданию контура для усреднения показателей времени пролета, что может обеспечить лучшую пространственную точность и большую скорость работы даже в условиях сильного фонового излучения.
