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APD-QE

Advanced PhotoDetector - Quantum Efficiency System

尖端光偵測器的尖端工具

隨著5G與移動裝置的興起與普及,越來越多新型光感測器被應用於我們的日常生活中。為了能更好的應用在行動裝置上,這些先進光感測器的組件感光面積越做越小。但這些應用卻對先進光感測器的光感測性能要求卻越來越高。在感光面積微縮的過程中,也帶來量子效率精准測量的挑戰。例如,傳統聚光型小光斑在不同波長下,色散差造成焦點位移可到mm等級。難以將所有的光子都聚焦到微米等級的感光面積中。因此,難以準確測得全光譜量子效率曲線。APD-QE採用獨家光束空間均勻化技術,利用ASTM 標準的”Irradiance Mode”測試方式,與各種先進探針台形成完整的微米級光感測器全光譜量子效率測試解決方案。APD-QE 已被應用于多種先進光感測器的測試中,例如在iPhone光達與其多種光感測器、Apple Watch血氧光感測器、TFT影像感測器、有源主動圖元感測器(APS)、高靈敏度間接轉換 X 射線感測器等。

CMOS Image Sensor Tester

傳統QE系統在新型光電偵測器測試的挑戰 :

  1. 市面上的量子效率系統多為「功率模式」。
  2. 隨行動裝置的大量普及,先進光電偵測器如APD、SPAD、ToF等,元件收光面積均微型化,有效收光面積由數十微米到數百微米 (10um ~ 200um)。
  3. 光束聚焦的「功率模式」 ,用來測量小面積的先進光電偵測器的問題:
    • 難以將所有光子,完全打進微米等級的有效收光面積(無法達到功率模式的要求)=> 絕對EQE值難以取得。
    • 在聚光模式下,難以克服光學色散差、球面像差等帶來的測量誤差。=>EQE光譜曲線不正確。
    • 難以整合探針台。

Contents

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特色

  • 使用均勻光斑的「照度模式」(Irradiance Mode) 符合ASTM E1021
  • 取代傳統聚焦小光斑,可以測試um等級的光電偵測器。
  • 均勻光斑可以克服色散差與像差的問題,可準確測得EQE曲線
  • 可搭配多種探針台系統,實現非破壞性的快速測試。
  • 整合光學與測試系統,提高系統搭建效率。
  • 一鍵式自動化測試軟體,自動全光譜校正與測量,工作效率高。
  • 測試特性:

– 外部量子效率EQE

– 光譜回應SR

– I-V曲線測量

– NEP光譜測量

– D*光譜測量

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

– Flicker noise, Johnson Noise, Shot noise 分析

系統架構

System Design

系統規格

主要系統

量子效率測試系統

– 300nm ~ 1100nm 

– 可擴展到2500nm

測量軟體

– PDSW 軟體

– 可選配FETOS軟體( 3T 或4T組件)

(選配)探針台系統

– 4” 標準探針台 (MPS-4-S)

可客制化探針台系統整合與遮罩暗箱

均光系統與探針台整合

Integration of Uniform light homogenizer and probe station

高均勻度光斑

  採用獨家專利傅立葉光學元件均光系統,可將單色光光強度空間分佈均勻化。在10mm x 10mm 面積以5 x 5測量光強度分佈,不均勻度在470nm、530nm、630nm、850nm均可小於1%。而在20mm x 20mm面積以10 x 10矩陣測量光強度分佈,不均勻度可以小於4%。

High uniform Beam Spot

PDSW 軟體

  PDSW軟體採用全新SW-XQE軟體平臺,可進行多種自動化測量,包含EQE、SR、I-V、NEP、D*、頻率雜訊電流圖(A/Hz1/2)、雜訊分析等。

PDSW software
▌EQE 測試

  EQE測試功能,可以進行不同單色光波長測試,並且可自動測試全光譜EQE。

EQE Test
▌I-V 測試

  軟體可支援多種SMU控制,自動進行照光I-V測試以及暗態I-V測試,並支援多圖顯示。

IV Test
▌D* 與 NEP

  相較於其它QE系統,APD-QE可以直接測量並得到D*與NEP。

measure and obtain D and NEP Advanced PhotoDetector
▌頻率-雜訊電流曲線
Frequency-Noise Current Curve
▌可升級軟體

  升級FETOS軟體操作畫面(選配),可測試3端與4端的Photo-FET組件。

FETOS software characterize 3-terminal or 4-terminal devices

內部整合探針台

  APD-QE系統由於其出色的光學系統設計,可以組合多種探針台。全波長光譜儀的所有光學元件都集成在精巧的系統中。單色光從光譜儀引導到探針台遮罩盒。圖片顯示了 MPS-4-S 基本探針台組件,帶有 4 英寸真空吸盤和 4 個帶有低雜訊三軸電纜的探針微定位器。

Integration with probe station
microscope of probe station is integrated

  集成探針台顯微鏡,手動滑塊切換到被測設備的位置。使用滑動條後,單色光均質器被「固定」在設計位置。 顯微圖像可以顯示在螢幕上,方便使用者進行良好的接觸。

可客制化整合多種探針台與遮罩暗箱

Customized Shielding dark box

A. 客制化隔離遮罩箱。
B. 因為先進的PD講究回應速度快,所以有效面積就要小(降低電容效應),因此,多會有需要整合探針台的需求。
C. 可整合不同的半導體分析儀如 4200 或 E1500。

應用範圍

  1. LiDAR 中的光電感測器
    – InGaAs 光電二極體/ SPAD
  2. 蘋果手錶的光電感測器

  3. 用於高增益傳感和成像的光電二極體門控電晶體

  4. 高光電導增益和填充因數光學感測器

  5. 高靈敏度間接轉換 X 射線探測器表徵

  6. 矽光子學
    – InGaAs APD

應用 1: iPhone 12 的 LiDAR 和其他感測器中光電二極體的外部量子效率

External quantum efficiency of Photodiode in iPhone 12’s LiDAR

應用 2: APPLE Watch 6 血氧感測器中光電二極體的外量子效率

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

  全新 Apple Watch Series 6 配備血氧感測器和配套應用程式,為您提供更多監測心臟和呼吸系統健康的方式。

  血氧感測器內置於 Apple Watch 的背面。 它使用四組紅、綠、紅外 LED 燈和四個光電二極體,這些器件可以將光轉換為電流。 光照射到手腕上的血管,光電二極體測量反射回來的光量。 基本上,含氧和去氧的血液以不同的方式吸收紅光和紅外光,因此 Apple Watch 可以通過反射光來確定血液的顏色。  

  採用APD-QE系統對血氧感測器中的光電二極體進行研究和分析,包括可見光和紅外波長範圍。

  APD-QE 可以提供這些光電二極體的資訊:

  1. 外部量子效率 EQE(300nm~1700nm)
  2. 光譜回應 SR (A/W)
  3. NEP 和 D*
  4. 頻率-雜訊曲線 (A/Hz1/2)
  5. 噪音類型

  如果您想瞭解更多關於移動設備中血氧感測器的光學感測器/光電二極體測試的詳細資訊,請立即聯繫Enlitech。

應用 3:用於高增益傳感和成像的光電二極體門控電晶體

  在光學傳感和成像應用中,為了提高靈敏度和 SNR,APS (active pixel sensor) 包括一個光電探測器或一個光電二極體和幾個電晶體,形成一個多元件電路。其中一個重要的單元:圖元內放大器,也稱為源追隨者是必須使用。 APS自誕生之日起,就從三管電路演變為五管電路,以解決暈染、復位雜訊等問題。除了 APS,雪崩光電二極體 ( APD )及其相關產品:矽光電倍增器(SiPM)也可以獲得高靈敏度。然而,由於必須採用高電場來啟動光電倍增和碰撞電離,因此在這些設備中高場引起的散粒雜訊很嚴重。

  最近,提出了亞閾值操作光電二極體(PD)門控電晶體的器件概念。它無需高場或多晶體管電路即可實現高增益。增益源自光誘導的柵極調製效應,為了實現這一點,必須進行亞閾值操作。它還以緊湊的單晶體管( 1-T ) APS 格式將 PD 與電晶體垂直集成,從而實現高空間解析度。這種器件概念已在各種材料系統中實施,使其成為高增益光學感測器的可行替代技術。

  APD-QE系統致力於研究和分析光電二極體門控非晶矽薄膜電晶體:

  1. 不同光強下的光轉移曲線特性。
  2. 光強度函數的閾值電壓變化(ΔVth)。
  3. 有/無曝光的電晶體輸出特性。
  4. 量子效率與光敏增益光譜。
Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) a-Si:H光電二極體門控LTPS TFT結構示意圖; (b) 等效電路圖,顯示具有高 SNR 的 APS。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) 圖元的顯微照片; (b) 部分陣列的顯微照片; (c) 圖像感測器晶片的照片。

如果您想測試TFT型圖像感測器或瞭解更多測試細節,請立即聯繫Enlitech。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

3-D雙柵光敏a-Si:H TFT的光傳輸特性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

在各種光子通量下,作為波長函數的光敏 TFT 增益

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

曝光和沒有曝光的 TFT 輸出特性。

推薦的系統組合

● APD-QE 系统
    1. QE 波長範圍 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模組
    3. 高度均勻的光束均化器

● Keysight B2912 半導體分析儀 x 2
● 探針台: MPS-4-S 探針台系統與暗遮罩盒
● 軟體升級: FETOS-SW

應用 4:高光電導增益和填充因數光學有源圖元感測器

  可應用於「間接轉換 X 射線成像」、 「光學指紋成像」和「生物醫學螢光成像」的光學有源圖元感測器。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

應用 5:高靈敏度間接轉換 X 射線探測器表徵

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

高靈敏度間接轉換 X 射線探測器。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

高解析度背照式 (BSI) 型 X 射線探測器面板。

  高靈敏度大面積 X 射線探測器是低劑量醫學診斷 X 射線成像的關鍵,例如數位射線照相、透視和乳房 X 線照相術。 X射線的探測方式一般有直接轉換和間接轉換兩種。在直接轉換模式中,光電導體(例如,非晶硒)用於將 X 射線光子直接轉換為電荷。在間接轉換模式中,這些電荷由非晶矽薄膜電晶體 (TFT) 進一步讀出。X 射線光子首先通過閃爍體如碘化銫 (CsI:Tl)、鍺酸鉍晶體 (Bi4Ge3O12)或 Gd2O2S:Tb 螢光粉,然後,通常由非晶矽光電二極體和開關 TFT 形成的光學成像感測器檢測。在任一模式下,為了實現高靈敏度,必須從材料/設備級別或圖元電路級別進行信號放大。例如,最近研究了高度敏感的直接 X 射線光電導體,例如鈣鈦礦,因為與市售的直接轉換 a-Se 光電導體相比,它利用光子的效率高,從而導致高量子產率。然而,鈣鈦礦具有高漏電流並且也遇到穩定性/可靠性問題。在 X 射線成像應用中,可靠性和穩定性至關重要,因為每年必須進行數千次掃描。在高靈敏度的間接轉換 X 射線探測器的情況下,由於許多閃爍體的量子產率已達到其極限,然而,由於TFT電路和光電二極體之間的佔用面積競爭,空間解析度和填充因數通常會受到影響,因此其靈敏度和高空間解析度需要權衡。因此,擁有同時獲得高靈敏度和高空間解析度的檢測器或圖元架構是具有挑戰性的。

  APD-QE系統用於高靈敏間接偵測型的X射線探測器的開發:

  1. 不同光強下的光轉移曲線特性。
  2. 有/無曝光的電晶體輸出特性。
  3. 量子效率與光敏增益光譜。
Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

不同VTG(-12 V、-18 V、-24 V)閾值電壓變化的光強依賴性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

橙色線是實測的 CsI:Tl 的 X 射線激發光致發光發射光譜,藍色線是光敏雙柵 TFT 的光增益 (Gph),紫色線是經典pin光電二極體的外部量子效率 (EQE) 曲線 。

推薦的系統組合

● APD-QE 系统
    1. QE 波長範圍 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模組
    3. 高度均勻的光束均化器

● Keysight B2912 半導體分析儀 x 2
● 探針台: MPS-4-S 探針台系統與暗遮罩盒
● 軟體升級: FETOS-SW

如果您想測試間接轉換 X 射線探測器或瞭解有關測試的更多詳細資訊,請立即聯繫 Enlitech。

應用 6:高光電導增益和填充因數有源圖元感測器(APS)

有源圖元感測器(APS)

  垂直堆疊了一個 a-Si:H p-i-n 光電二極體和一個低溫多晶矽( LTPS)讀出 TFT通過使用 p-i-n 光電二極體門控 TFT 架構並在亞閾值範圍內操作 TFT,所提出的APS器件提供高填充因數和高內部光電導增益。垂直積分導致圖元中的高填充因數( >70% )和擴大的感光區域。 在感測器的光電二極體門控 TFT 結構中,通過在亞閾值狀態下操作 TFT 來放大輸出電流。 在可見光波長處獲得了弱波長相關的光導增益 >10,從而實現大面積低強度光檢測。

  大面積光學成像和傳感設備可以在間接轉換 X 射線成像 光學指紋成像和生物醫學螢光成像的許多應用中找到。而高增益與高填充因數的APS深具商業應用的潛力。

  APD-QE 系統有源圖元感測器( APS ):

  1. 不同光強下的光轉移曲線特性。

  2. 有/無曝光的電晶體輸出特性。

  3. 量子效率與光敏增益光譜。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

(a) SNR = AS/(N+n) 的混合有源圖元感測器和 (b) SNR = S/(N + n) 的傳統無源圖元感測器的等效圖元電路; A是放大係數,N是圖元雜訊,n是資料線雜訊。

高光電導增益和填充因數光學感測器

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

混合感測器的光子傳輸特性。

Advanced PhotoDetector-Quantum Efficiency System

在 VBG = − 6.3V 下測得的光電導增益和外部量子效率作為各種光子通量的波長函數。採用APD-QE系統測量有源圖元感測器的外量子效率。

推薦的系統組合

● APD-QE 系统
    1. QE 波長範圍 300~1100nm
    2. 恒光子/恒能光控模組
    3. 高度均勻的光束均化器

● Keysight B2912 半導體分析儀 x 2
● 探針台: MPS-4-S 探針台系統與暗遮罩盒
● 軟體升級: FETOS-SW

如果您想測試有源圖元感測器(APS)或瞭解更多測試細節,請立即聯繫Enlitech。

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