Изобретатель КМОП создал дешёвый фотонный сенсор, работающий при комнатной температуре на 1040 FPS

Иллюстрация процесса формирования изображения прототипом микросхемы QIS разрешением 1 Mjot на частоте 1040 кадров/с. В левом верхнем углу — увеличенная область из общего поля бинарных однофотонных данных (1024×1024), полученных с сенсора на 1040 FPS. В правом нижнем углу — изображение с градациями серого, которое получено путём обработки исходных данных с сенсора алгоритмом устранения шумов

Высокопроизводительные фотонные детекторы сейчас повсеместно используются в науке, камерах ночного видения, а также в автомобильных сенсорах и камерах безопасности. Производительность детекторов определяется несколькими ключевыми факторами:

• подсчёт частоты ошибок;
• скорость чтения;
• пространственное разрешение;
• квантовая эффективность;
• темновой ток.

В данный момент на рынке представлены однофотонные лавинные диоды (SPAD) и устройства с зарядовой связью с электронным умножением (EMCCD). Оба типа детекторов полагаются на лавинное умножение для генерации сигнала большого напряжения от единственного фотона. Подобным устройствам требуется высокое рабочее напряжение для создания критического электрического поля, в котором возможен лавинный эффект.

Специалисты из Инженерной школы Тейерта Дартмута создали принципиально новый фотонный детектор под названием Quanta Image Sensor ^[1] (QIS), который может произвести настоящую революцию во всех областях, где используются устройства такого типа.

В чём проблема фотонных детекторов SPAD и EMCCD? Дело в том, что столь высокое рабочее напряжение несовместимо с продвинутой технологий фотосенсоров КМОП (CMOS), и поэтому однофотонные детекторы приходится делать большими и громоздкими, с низким пространственным разрешением и повышенным рассеянием мощности. Использование лавинного умножения также повышает чувствительность этих детекторов к темновому току, который обычно вызван тепловыми электронами или повторной эмиссией электрона в интерфейсной ловушке. При комнатной температуре регистрируется от 20 до нескольких сотен темновых электронов в секунду.

Темновой ток такого уровня очень высок и ограничивает нижнюю границу светочувствительности. Причём для работы на этой нижней границе всегда требуется ещё и внешнее охлаждение, чтобы снизить количество темновых электронов.

У однофотонных лавинных диодов есть ещё один недостаток: им требуются дополнительные микросхемы для вычисления количества поступивших фотонов, что ведёт к обременению всей конструкции дополнительной электроникой, а в результате по коэффициенту заполнения и квантовой эффективности SPAD уступает КМОП.

В свою очередь, в детекторах EMCCD сигнальные фотоэлектроны считываются длинным массивом CCD-сенсоров, что ограничивает скорость считывания по сравнению с КМОП и не даёт возможности использовать EMCCD там, где требуется высокое временнóе разрешение, то есть высокая частота кадров.

В отличие от этих технологий, в новых сенсорах QIS применяются твёрдотельные датчики изображения третьего поколения, совместимые с традиционными контактными датчиками изображения (CIS), но имеющие ряд преимуществ перед ними, в том числе по размеру пикселей, пространственному разрешению, темновому току, квантовой эффективности, скорости чтения и рассеянию мощности. То есть по всем показателям, важным для фотосенсоров.

Архитектура прототипа чипа QIS.

У сенсоров QIS масштабируемая архитектура. Отдельные пиксели (jots) объединены в мегапиксельные модули (Mjots), из которых на одной микросхеме можно собирать фотосенсоры большего разрешения.

Фотодетекторы нового типа отлично работают при комнатной температуре и не требуют внешнего охлаждения. Они могут использоваться в телескопах, микроскопах и других научных приборах. Технология недорогая, коммерчески доступная и пригодная для массового производства сенсоров, пишет её изобретатель профессор Эрик Фоссум ^[2] из Инженерной школы Тейерта Дартмута. Кстати, именно Эрик Фоссум изобрёл фотосенсоры КМОП ^[3], которые сегодня работают в миллиардах смартфонов и фотокамер.

Для продвижения технологии образован стартап Gigajot Technology ^[4].

Научная статья опубликована ^[5] в журнале Optica (doi: 10.1364/OPTICA.4.001474).

Автор: Анатолий Ализар

Источник ^[6]