Enkele-foton detectie gebaseerd op ladingsmultiplicatie voor tijdgefundeerde beeldvorming

Een enkele-foton lawinediode (SPAD) is een halfgeleiderapparaat dat in staat is om individuele lichtdeeltjes, of fotonen, met hoge precisie in tijd te detecteren. De mobiele apparaat- en auto-industrie gebruiken steeds vaker SPAD's voor zogenoemde directe vliegtijd dieptedetectiesystemen waarmee de afstand tot objecten kan worden bepaald. Deze toepassing steunt op het meten van de aankomsttijd van teruggekaatste fotonen uit een gezichtsveld met een hoge temporele resolutie. Door de detectoren te integreren in sensormatrices kan ruimtelijk oplossend vermogen verkregen worden. Bovendien presteren dieptedetectiesystemen over het algemeen het beste voor nabij-infrarood (NIR) en kortegolf-infrarood-verlichtingsgolflengten.

De realisatie van SPAD's met silicium productiemethoden heeft vele voordelen, waaronder de beschikbaarheid van gevestigde fabricagetechnologieën en de mogelijkheid om een lage detectorruis te verkrijgen. Bovendien hebben silicium SPAD's het potentieel om geminiaturiseerd en geïntegreerd te worden in grootformaat sensormatrices. Een belangrijk nadeel van silicium is echter de lage absorptiecoëfficiënt voor infraroodstraling. Daarom is een extensieve optimalisatie van de SPAD-structuur vereist om de lichtgevoeligheid uit te breiden naar langere golflengten en de compatibiliteit met NIR vliegtijd-toepassingen te bevorderen. Hoewel er de afgelopen jaren veel vooruitgang is geboekt, blijft het ontwerp van NIR-gevoelige silicium SPAD's een uitdaging. Bijvoorbeeld, pogingen om de lichtdetectie-efficiëntie voor lange golflengten te verhogen, resulteren veelal in de degradatie van de tijdsresolutie of werkingsspanning. De beperkingen komen nog meer tot uiting wanneer de apparaten geïntegreerd worden in matrices, waarvoor uniformiteit, energie-efficiëntie en schaalbaarheid ook essentieel zijn.

In dit onderzoek worden nabij-infrarood verbeterde silicium SPAD's bestudeerd, met een focus op de vliegtijd-toepassing. Bestaande detectoroplossingen worden geanalyseerd, ontwerpbeperkingen van veelvoorkomende apparaat-structuren worden geïdentificeerd en nieuwe SPAD-architecturen worden voorgesteld. Een groot onderdeel van het onderzoek bestaat uit de karakterisatie van de eigenschappen van gefabriceerde detectoren. Bovendien omvat het werk de numerieke analyse van de apparaten met behulp van bestaande en op maat gemaakte simulatiemethoden. Hoewel er geen grootformaat sensoren zijn ontwikkeld als onderdeel van dit project, wordt de uiteindelijke integratie van dergelijke matrices wel opgenomen in het onderzoeksproces.

De opzet en belangrijkste resultaten van het onderzoek zijn als volgt. Eerst wordt een standaard vlakke NIR-verbeterde SPAD onderzocht en worden de prestatiebeperkingen van het apparaat geïdentificeerd. Ten tweede worden de tekortkomingen van bestaande technologieën aangepakt met de ontwikkeling van nieuwe vlakke ladingsfocusserende SPAD's die een opmerkelijke NIR-detectie-efficiëntie en temporele respons bereiken. Tot slot worden twee routes voor geschaalde SPAD's onderzocht. De eerste onderzoeksrichting omvat de verdere ontwikkeling van de ladingsfocusserende architectuur met kleinere afmetingen en verminderde werkingsspanningen. De tweede route betreft een nieuwe niet-vlakke pijler-SPAD-technologie waarmee sommige beperkingen van vlakke apparaten kunnen worden omzeild. Door de veelbelovende gesimuleerde prestaties en compatibiliteit met matrix-integratie, hebben de geschaalde technologieën veel potentieel om het onderzoeksveld van NIR-geoptimaliseerde silicium SPAD's voor dieptebeeldvorming te bevorderen.