W skrócie – w diodach SPAD światło jest wykrywane na podstawie pomiaru impulsów fotoprądu lawinowego w spolaryzowanym zaporowo złączu p-n, wyzwalanych w nim przez pojedyncze fotony. Zasadnicza różnica między nimi a fotodiodami lawinowymi polega na tym, że działają przy napięciu polaryzacji w kierunku zaporowym przekraczającym napięcie przebicia złącza.
Dla przypomnienia (rys. 1) – fotodiody zazwyczaj pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Fotodiody lawinowe działają w zakresie charakterystyki prądowo-napięciowej, gdzie wzmocnienie zmienia się wykładniczo wraz ze wzrostem napięciem polaryzacji, blisko napięcia przebicia złącza. Dzięki temu osiągają wzmocnienia typowo od 2 do 10 tys. Diody SPAD natomiast pracują w tzw. trybie Geigera, czyli przy napięciu polaryzacji przekraczającym napięcie przebicia złącza (napięcie polaryzacji jest w praktyce ograniczone przez wytrzymałość struktury złącza). Pozwala to uzyskać niemal nieskończone wzmocnienie, a każdy pojedynczy foton wywołuje pełny impuls prądu lawinowego. Wyjaśnienie specyfiki diod SPAD warto poprzedzić przypomnieniem podstaw pracy "zwykłych" fotodiod lawinowych.
Fotodiody lawinowe
Fotodiody lawinowe pracują przy stosunkowo wysokim napięciu wstecznym, zwykle dziesiątkach, a nawet setkach woltów, bliskim napięciu przebicia złącza. W rezultacie nośniki ładunku, elektrony i dziury wzbudzone przez absorbowane fotony, zostają przyspieszone w silnym wewnętrznym polu elektrycznym. W wyniku ich zderzeń z atomami w sieci krystalicznej generowane są kolejne pary elektron–dziura (nośniki wtórne). Proces postępuje lawinowo, skutkując znaczącym wewnętrznym wzmocnieniem fotoprądu. Dzięki temu fotodiody lawinowe są czułymi fotodetektorami. Ich typowe zastosowania to odbiorniki w komunikacji światłowodowej, dalmierze, szybkie skanery laserowe, mikroskopia laserowa oraz reflektometry optyczne w dziedzinie czasu.
Istotnym parametrem fotodiod lawinowych jest stosunek wytworzonego fotoprądu do padającej mocy optycznej (responsivity). Jego duża wartość jest efektem lawinowego wzmocnienia prądu. Z drugiej strony, silnie zależy od napięcia wstecznego i znacznie się różni dla różnych fotodiod. W związku z tym zazwyczaj producent podaje zakres napięć, przy których fotodiody z konkretnej serii osiągają określony stosunek fotoprądu do mocy optycznej. Dlatego też fotodiody lawinowe nie są wiarygodne w precyzyjnym pomiarze światła o bardzo niskim natężeniu.
Parametry fotodiod lawinowych
Drugi kluczowy parametr to wydajność kwantowa (quantum efficiency). Jest to miara skuteczności fotodetektora w przekształcaniu fotonów w prąd elektryczny. W fotodiodach lawinowych jest ona niższa niż w zwykłych fotodiodach, których wydajność kwantowa może przekraczać 90%, chociaż typowo mieści się w przedziale 40‒80%. Szerokość pasma detekcji fotodiod lawinowych jest dość duża, chociaż trzeba pamiętać o nieuniknionym kompromisie między tym parametrem a wartością wzmocnienia. Z drugiej strony, dzięki dużemu stosunkowi fotoprądu do mocy optycznej, w układzie pomiarowym można użyć opornika o mniejszej rezystancji niż w przypadku zwykłej fotodiody. To może rekompensować ewentualne ograniczenia szybkości działania fotodiody lawinowej. Chociaż duży stosunek fotoprądu do mocy optycznej zmniejsza wpływ szumów układu pomiarowego, efekt ten niwelować mogą szumy towarzyszące procesowi lawinowego wzrostu prądu, przede wszystkim szum wzmocnienia, który wynika z losowego charakteru procesu generowania nośników wtórnych.
Fotodiody lawinowe na bazie krzemu wykorzystuje się przy długościach fal od 450 do 1100 nm, przy czym maksymalną czułość wykazują w zakresie 600‒800 nm. W zależności od szczegółów konstrukcji i przyłożonego napięcia wstecznego ich współczynnik wzmocnienia wynosi od 50 do 1000. Przy większych długościach fal, do około 1,7 μm, korzysta się z fotodiod lawinowych na bazie germanu albo arsenku indowo-galowego (InGaAs). Charakteryzuje je niższe wzmocnienie, typowo od 10 do 40. Te z InGaAs są droższe, ale mają mniejsze szumy i szersze pasmo detekcji. Rzadziej spotykanymi materiałami do budowy fotodiod lawinowych są azotek galu (w detekcji promieniowania ultrafioletowego) oraz tellurek rtęciowo-kadmowy (w detekcji promieniowania w zakresie średniej podczerwieni o długości fali do 14 μm, głównie w warunkach kriogenicznych).
Po przedstawieniu charakterystyki klasycznych fotodiod lawinowych warto wyjaśnić, czym są liczniki fotonów. Do tej kategorii zalicza się bowiem diody SPAD.
Liczniki fotonów
Niektóre typy fotodetektorów są tak czułe, że umożliwiają detekcję pojedynczych fotonów światła, rejestrując absorpcję jednostkowych cząstek elementarnych tego rodzaju, zamiast mierzyć natężenie albo moc optyczną padającego światła. Przy odpowiednio szybkich układach pomiarowych można zmierzyć czas wykrycia fotonu, co jest istotne z perspektywy przyszłości technologii kwantowych. Niestety liczniki fotonów nie są idealne, ponieważ mogą nie wykrywać części padających fotonów z powodu niewielkiej wydajności kwantowej. Mogą także generować fałszywe sygnały, na przykład z powodu szumu termicznego.
Fotodetektory zliczające fotony charakteryzuje kilka specyficznych dla nich parametrów. Takim jest częstość ciemnych zliczeń (dark count rate), wyrażana w liczbie zliczeń na sekundę. Jest to liczba impulsów fotoprądu generowanych przez fotodetektor w ciemności, czyli fałszywych detekcji, których źródłem nie jest rzeczywisty sygnał świetlny. Duża wartość tego parametru ogranicza czułość fotodetektora i powoduje, że przy bardzo słabym świetle trudno jest odróżnić prawdziwe sygnały od szumów tła. W praktyce zatem częstość ciemnych zliczeń wyznacza minimalny poziom sygnału możliwy do zmierzenia – jeżeli jest on niższy, nie ma pewności czy impuls fotoprądu oznacza rzeczywiste pojawienie się fotonu, czy jest błędem. Fałszywe detekcje są spowodowane głównie szumami termicznymi, generowaniem nośników przez promieniowanie tła i zjawiskami tunelowymi zachodzącymi w strukturze półprzewodnika. Częstość ciemnych zliczeń jest silnie zależna od temperatury, dlatego zaawansowane fotodetektory są często chłodzone, by ją zmniejszyć.
Czym jest czas martwy?
Kolejny parametr to czas martwy (dead time). Jest to czas po detekcji fotonu, dopiero po upływie którego możliwe jest wykrycie kolejnego. Czas martwy warunkuje maksymalną możliwą częstość zliczeń fotonów na sekundę.
Wydajność kwantowa określa, jaki procent fotonów padających na fotodetektor jest wykrywany. Im jest mniejsza, tym większa ich liczba jest pomijana, co skutkuje wzrostem szumów. Jitter to z kolei niepewność czasu rejestrowanych fotonów. W niektórych typach fotodetektorów występuje znaczne stałe opóźnienie czasowe między absorpcją fotonu a wygenerowaniem impulsu fotoprądu.
Do zliczania fotonów wykorzystuje się fotopowielacze. Te z chłodzoną fotokatodą charakteryzuje niska częstość zliczeń ciemnych. Ich wydajność kwantowa sięga nawet kilkudziesięciu procent w świetle widzialnym i maksymalnie kilku procent w zakresie podczerwieni. Kolejnym przykładem są fotodiody lawinowe pracujące w trybie Geigera, czyli diody SPAD.
Tryb Geigera
Jak już pisaliśmy, złącze fotodiody lawinowej spolaryzowane zaporowo powyżej napięcia przebicia pracuje w trybie Geigera, w którym pojedynczy foton wzbudzając parę elektron-dziura jest w stanie wywołać lawinę nośników wtórnych. Czas jej narastania jest przeważnie rzędu pikosekund, dzięki czemu pomiar zmiany napięcia odpowiadającej temu impulsowi fotoprądu pozwala na precyzyjne określenie czasu detekcji fotonu.
Samopodtrzymująca się lawina fotoprądu w diodzie SPAD musi zostać jak najszybciej zatrzymana, aby zapobiec jej zniszczeniu. Konieczne jest w związku z tym wygaszenie prądu, co uzyskuje się przez krótkotrwałe obniżenie napięcia polaryzacji poniżej napięcia przebicia. Następnie jest ono znów zwiększane do wartości początkowej, czyli powyżej napięcia przebicia, by kolejny foton mógł wywołać następną lawinę fotoprądu. Odstęp czasu między obniżeniem napięcia polaryzacji a jego podwyższeniem to czas martwy. Typowo wynosi on kilkadziesiąt nanosekund. Ten nieunikniony czas regeneracji powoduje, że szerokość pasma detekcji diod SPAD sięga zwykle kilkudziesięciu megaherców. Dla porównania w przypadku fotodiod lawinowych jest ono rzędu gigaherców. Jeśli chodzi o częstość ciemnych zliczeń, to typowa wartość tego parametru diod SPAD nie przekracza 1 kHz, a wydajność kwantowa może przekraczać 50%. Ważny parametr to też prawdopodobieństwo detekcji fotonu (photon detection probability), który określa, na ile możliwe jest wywołanie lawiny fotoprądu w odpowiedzi na absorpcję fotonu przy określonej długości fali. W świetle w zakresie widzialnym typowo jest to 70%.
Gdzie diody SPAD są wykorzystywane?
Zakres zastosowań diod SPAD jest potencjalnie bardzo szeroki. Przewiduje się, że będą na przykład niezbędne dla rozwoju fotonicznych komputerów kwantowych, w których pojedyncze fotony będą nośnikami informacji kwantowej, czyli kubitami.
Oprócz tego są już wykorzystywane do budowy czujników obrazu, które konkurują z tradycyjnymi czujnikami CMOS. Wykonuje się je w postaci matryc z diod SPAD. Przykładem są czujniki obrazu opracowane przez firmę Canon o rozmiarze zaledwie 13,2 mm × 9,9 mm i rozdzielczości fotografii kolorowej wynoszącej 3,2 megapiksela, czyli wyższej niż Full HD (około 2,07 megapiksela), nawet w warunkach słabego oświetlenia. Matryca SPAD firmy Canon charakteryzuje się oprócz tego rozdzielczością czasową rzędu 100 ps. Generalnie w porównywalnych warunkach oświetleniowych matryce SPAD mogą rejestrować obrazy z podobną rozdzielczością co matryce CMOS, zajmując zaledwie 1/10 ich rozmiaru. Ponadto zakres dynamiki matryc CMOS zazwyczaj waha się od 60 do 90 dB, natomiast w oparciu o matryce diod SPAD budowane są już kamery, które mogą rejestrować 1000 klatek na sekundę z zakresem dynamiki 140 dB.
Dzięki przetwornikom obrazu w technologii diod SPAD szanse ma rozwinąć się także biofotonika. Duże nadzieje pokłada się na przykład w ich wykorzystaniu w technice obrazowania FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), która jest powszechnie stosowana w badaniach żywych tkanek i komórek na poziomie molekularnym.
Monika Jaworowska
