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 (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 временнoе 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 из Инженерной школы Тейерта Дартмута. Кстати, именно Эрик Фоссум изобрёл фотосенсоры КМОП, которые сегодня работают в миллиардах смартфонов и фотокамер.

Для продвижения технологии образован стартап Gigajot Technology.

Научная статья опубликована в журнале Optica (doi: 10.1364/OPTICA.4.001474).