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APD-QE

Advanced PhotoDetector - Quantum Efficiency System

尖端光传感器的尖端工具

随着5G与移动装置的兴起与普及,越来越多新型光传感器被应用于我们的日常生活中。为了能更好的应用在行动装置上,这些先进光传感器的组件感光面积越做越小。但这些应用却对先进光传感器的光感测性能要求却越来越高。在感光面积微缩的过程中,也带来量子效率精准测量的挑战。例如,传统聚光型小光斑在不同波长下,色散差造成焦点位移可到mm等级。难以将所有的光子都聚焦到微米等级的感光面积中。因此,难以准确测得全光谱量子效率曲线。APD-QE采用独家光束空间均匀化技术,利用ASTM 标准的”Irradiance Mode”测试方式,与各种先进探针台形成完整的微米级光传感器全光谱量子效率测试解决方案。APD-QE 已被应用于多种先进光传感器的测试中,例如在iPhone光达与其多种光传感器、Apple Watch血氧光传感器、TFT影像传感器、有源主动像素传感器(APS)、高灵敏度间接转换 X 射线传感器等。

CMOS Image Sensor Tester

传统QE系统在新型光传感器测试的挑战:

  1. 市面上的量子效率系统多为”功率模式”。
  2. 随行动装置的大量普及,先进光传感器如APD、SPAD、ToF等,组件收光面积均微型化,有效收光面积由数十微米到数百微米 (10um ~ 200um)。
  3. 光束聚焦的”功率模式”,用来测量小面积的先进光传感器的问题:
    • 难以将所有光子,完全打进微米等级的有效收光面积(无法达到功率模式的要求) => 绝对EQE值难以取得。
    • 在聚光模式下,难以克服光学色散差、球面像差等带来的测量误差。 => EQE光谱曲线不正确。
    • 难以整合探针台。

Contents

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我们的专业团队将为您提供帮助!

我们根据您的需求提供定制解决方案,并将传感技术集成到您的产品、产品应用和 OEM 解决方案中。

告诉我们更多,我们会启发您的想法。

特点

  • 使用均匀光斑的”照度模式” (Irradiance Mode) 符合ASTM E1021
  • 取代传统聚焦小光斑,可以测试um等级的光电传感器。
  • 均匀光斑可以克服色散差与像差的问题,可准确测得EQE曲线
  • 可搭配多种探针台系统,实现非破坏性的快速测试。
  • 集成的光学与测试系统,提高系统搭建效率。
  • 一键式自动化测试软件,自动全光谱校正与测量,工作效率高。
  • 测试特性:

– 外部量子效率EQE

– 光谱响应SR

– I-V曲线测量

– NEP光谱测量

– D*光谱测量

– Noise-current-frequency响应图 (A/Hz-1/2; 0.01Hz~1,000Hz)

– Flicker noise, Johnson Noise, Shot noise 分析

系统架构

System Design

系统规格

主要系统:

量子效率测试系统

– 300nm ~ 1100nm 

– 可扩展到2500nm

测量软件

– PDSW 软件

– 可选配FETOS软件( 3T 或4T组件)

(选配)探针台系统

– 4” 标准探针台 (MPS-4-S)

可客制化探针台系统整合与屏蔽暗箱

均光系统与探针台整合

Integration of Uniform light homogenizer and probe station

高均匀度光斑

  采用独家专利傅立叶光学组件均光系统,可将单色光光强度空间分布均匀化。在10mm x 10mm 面积以5 x 5测量光强度分布,不均匀度在470nm、530nm、630nm、850nm均可小于1%。而在20mm x 20mm面积以10 x 10矩阵测量光强度分布,不均匀度可以小于4%。

High uniform Beam Spot

PDSW 软件

  PDSW软件采用全新SW-XQE软件平台,可进行多种自动化测量,包含EQE、SR、I-V、NEP、D*、频率噪声电流图(A/Hz1/2)、噪声分析等。

PDSW software
▌EQE 测试

  EQE测试功能,可以进行不同单色光波长测试,并且可自动测试全光谱EQE。

EQE Test
▌I-V 测试

  软件可支持多种SMU控制,自动进行照光I-V测试以及暗态I-V测试,并支持多图显示。

IV Test
▌D* 与 NEP

  相较于其它QE系统,APD-QE可以直接测量并得到D*与NEP。

measure and obtain D and NEP Advanced PhotoDetector
▌频率-噪声电流曲线
Frequency-Noise Current Curve
▌可升级软件

  升级FETOS软件操作画面(选配),可测试3端与4端的Photo-FET组件。

FETOS software characterize 3-terminal or 4-terminal devices

内部整合探针台

  APD-QE系统由于其出色的光学系统设计,可以组合多种探针台。全波长光谱仪的所有光学组件都集成在精巧的系统中。单色光从光谱仪引导到探针台屏蔽盒。图片显示了 MPS-4-S 基本探针台组件,带有 4 英寸真空吸盘和 4 个带有低噪声三轴电缆的探针微定位器。

Integration with probe station
microscope of probe station is integrated

  集成探针台显微镜,手动滑块切换到被测设备的位置。使用滑动条后,单色光均质器被“固定”在设计位置。 显微图像可以显示在屏幕上,方便用户进行良好的接触。

可客制化整合多种探针台与屏蔽暗箱

Customized Shielding dark box

A. 客制化隔离屏蔽箱。
B. 因为先进的PD讲究响应速度快,所以有效面积就要小(降低电容效应),因此,多会有需要整合探针台的需求。
C. 可整合不同的半导体分析仪如 4200 或 E1500。

应用范围

  1. LiDAR 中的光传感器
    – InGaAs 光电二极管/ SPAD
  2. 苹果手表的光传感器

  3. 用于高增益传感和成像的光电二极管门控晶体管

  4. 高光电导增益和填充因子光传感器

  5. 高灵敏度间接转换 X 射线探测器表征

  6. 硅光子学
    – InGaAs APD

应用 1: iPhone 12 的 LiDAR 和其他传感器中光电二极管的外部量子效率

External quantum efficiency of Photodiode in iPhone 12’s LiDAR

应用 2 : APPLE Watch 6 血氧传感器中光电二极管的外量子效率

External quantum efficiency of Photodiode in Blood Oxygen sensor of APPLE Watch 6

  全新 Apple Watch Series 6 配备血氧传感器和配套应用程序,为您提供更多监测心脏和呼吸系统健康的方式。
  血氧传感器内置于 Apple Watch 的背面。 它使用四组红、绿、红外 LED 灯和四个光电二极管,这些器件可以将光转换为电流。 光照射到手腕上的血管,光电二极管测量反射回来的光量。 基本上,含氧和脱氧的血液以不同的方式吸收红光和红外光,因此 Apple Watch 可以通过反射光来确定血液的颜色。
  采用APD-QE系统对血氧传感器中的光电二极管进行研究和分析,包括可见光和红外波长范围。

  APD-QE 可以提供这些光电二极管的信息:

  1. 外部量子效率EQE(300nm~1700nm)
  2. 光谱响应SR (A/W)
  3. NEP 和 D*
  4. 频率-噪声曲线(A/Hz1/2)
  5. 噪音类型

  如果您想了解更多关于移动设备中血氧传感器的光学传感器/光电二极管测试的详细信息,请立即联系Enlitech。

应用 3: 用于高增益传感和成像的光电二极管门控晶体管

  在光学传感和成像应用中,为了提高灵敏度和 SNR,APS (active pixel sensor) 包括一个光电探测器或一个光电二极管和几个晶体管,形成一个多组件电路。其中一个重要的单元:像素内放大器,也称为源追随者是必须使用。 APS自诞生之日起,就从三管电路演变为五管电路,以解决晕染、复位噪声等问题。除了 APS,雪崩光电二极管 ( APD )及其相关产品:硅光电倍增器(SiPM)也可以获得高灵敏度。然而,由于必须采用高电场来启动光电倍增和碰撞电离,因此在这些设备中高场引起的散粒噪声很严重。

  最近,提出了亚阈值操作光电二极管(PD)门控晶体管的器件概念。它无需高场或多晶体管电路即可实现高增益。增益源自光诱导的栅极调制效应,为了实现这一点,必须进行亚阈值操作。它还以紧凑的单晶体管( 1-T ) APS 格式将 PD 与晶体管垂直集成,从而实现高空间分辨率。这种器件概念已在各种材料系统中实施,使其成为高增益光学传感器的可行替代技术。

  APD-QE系统致力于研究和分析光电二极管门控非晶硅薄膜晶体管:

  1. 不同光强下的光转移曲线特性。

  2. 光强度函数的阈值电压变化(ΔVth)。

  3. 有/无曝光的晶体管输出特性。

  4. 量子效率与光敏增益光谱。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) a-Si:H光电二极管门控LTPS TFT结构示意图;(b) 等效电路图,显示具有高 SNR 的 APS。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) 像素的显微照片; (b) 部分阵列的显微照片; (c) 图像传感器芯片的照片。

如果您想测试TFT型图像传感器或了解更多测试细节,请立即联系Enlitech。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

3-D双栅光敏a-Si:H TFT的光传输特性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

在各种光子通量下,作为波长函数的光敏 TFT 增益。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

曝光和没有曝光的 TFT 输出特性。

推荐的系统组合

● APD-QE 系统
    1. QE波长范围 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模块
    3. 高度均匀的光束均化器
● Keysight B2912 半导体分析仪 x 2
● 探针台: MPS-4-S 探针台系统与暗屏蔽盒
● 软件升级: FETOS-SW

应用 4: 高光电导增益和填充因子光学有源像素传感器

  可应用于”间接转换 X 射线成像”、 “光学指纹成像”和”生物医学荧光成像”的光学有源像素传感器。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

应用 5: 高灵敏度间接转换 X 射线探测器表征

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

高灵敏度间接转换 X 射线探测器。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

高分辨率背照式 (BSI) 型 X 射线探测器面板。

  高灵敏度大面积 X 射线探测器是低剂量医学诊断 X 射线成像的关键,例如数字射线照相、透视和乳房 X 线照相术。 X射线的探测方式一般有直接转换和间接转换两种。在直接转换模式中,光电导体(例如,非晶硒)用于将 X 射线光子直接转换为电荷。在间接转换模式中,这些电荷由非晶硅薄膜晶体管 (TFT) 进一步读出。X 射线光子首先通过闪烁体如碘化铯 (CsI:Tl)、锗酸铋晶体 (Bi4Ge3O12)或 Gd2O2S:Tb 荧光粉,然后,通常由非晶硅光电二极管和开关 TFT 形成的光学成像传感器检测。在任一模式下,为了实现高灵敏度,必须从材料/设备级别或像素电路级别进行信号放大。例如,最近研究了高度敏感的直接 X 射线光电导体,例如钙钛矿,因为与市售的直接转换 a-Se 光电导体相比,它利用光子的效率高,从而导致高量子产率。然而,钙钛矿具有高漏电流并且也遇到稳定性/可靠性问题。在 X 射线成像应用中,可靠性和稳定性至关重要,因为每年必须进行数千次扫描。在高灵敏度的间接转换 X 射线探测器的情况下,由于许多闪烁体的量子产率已达到其极限,然而,由于TFT电路和光电二极管之间的占用面积竞争,空间分辨率和填充因子通常会受到影响,因此其灵敏度和高空间分辨率需要权衡。因此,拥有同时获得高灵敏度和高空间分辨率的检测器或像素架构是具有挑战性的。

APD-QE系统用于高灵敏间接侦测型的X射线探测器的开发:

  1. 不同光强下的光转移曲线特性。
  2. 有/无曝光的晶体管输出特性。
  3. 量子效率与光敏增益光谱。
Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

不同VTG(-12 V、-18 V、-24 V)阈值电压变化的光强依赖性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

橙色线是实测的 CsI:Tl 的 X 射线激发光致发光发射光谱,蓝色线是光敏双栅 TFT 的光增益 (Gph),紫色线是经典pin光电二极管的外部量子效率 (EQE) 曲线 。

推荐的系统组合

● APD-QE 系统
    1. QE波长范围 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模块
    3. 高度均匀的光束均化器
● Keysight B2912 半导体分析仪 x 2
● 探针台: MPS-4-S 探针台系统与暗屏蔽盒
● 软件升级: FETOS-SW

如果您想测试间接转换 X 射线探测器或了解有关测试的更多详细信息,请立即联系 Enlitech。

应用 6: 高光电导增益和填充因子有源像素传感器(APS)

有源像素传感器(APS)

  垂直堆栈了一个 a-Si:H p-i-n 光电二极管和一个低温多晶硅(LTPS)读出 TFT通过使用 p-i-n 光电二极管门控 TFT 架构并在亚阈值范围内操作 TFT,所提出的APS器件提供高填充因子和高内部光电导增益。垂直积分导致像素中的高填充因子( >70% )和扩大的感光区域。 在传感器的光电二极管门控 TFT 结构中,通过在亚阈值状态下操作 TFT 来放大输出电流。 在可见光波长处获得了弱波长相关的光导增益 >10,从而实现大面积低强度光检测。

  大面积光学成像和传感设备可以在间接转换 X 射线成像 光学指纹成像和生物医学荧光成像的许多应用中找到。而高增益与高填充因子的APS深具商业应用的潜力。

APD-QE系统有源像素传感器( APS ):

  1. 不同光强下的光转移曲线特性。

  2. 有/无曝光的晶体管输出特性。

  3. 量子效率与光敏增益光谱。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) SNR = AS/(N+n) 的混合有源像素传感器和 (b) SNR = S/(N + n) 的传统无源像素传感器的等效像素电路; A是放大系数,N是像素噪声,n是数据线噪声。

高光电导增益和填充因子光学传感器

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

混合传感器的光子传输特性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

在 VBG = − 6.3V 下测得的光电导增益和外部量子效率作为各种光子通量的波长函数。采用APD-QE系统测量有源像素传感器的外量子效率。

推荐的系统组合

● APD-QE 系统
    1. QE波长范围 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模块
    3. 高度均匀的光束均化器
● Keysight B2912 半导体分析仪 x 2
● 探针台: MPS-4-S 探针台系统与暗屏蔽盒
● 软件升级: FETOS-SW

如果您想测试有源像素传感器(APS)或了解更多测试细节,请立即联系Enlitech。

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