KR102368114B1 - 서로 다른 2개의 모드로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드 - Google Patents

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백수현
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Abstract

서로 다른 2개의 모드로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드에 있어서, 광자를 수광하여 광전류를 생성하는 포토 다이오드와 제1 직류 전원과 게이트 전원 또는 제2 직류 전원을 인가받는 캐소드단과 광자가 입사될 때 SPAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제1 애노드단 및 광자가 입사될 때, NFAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제2 애노드단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드를 제공한다.

Description

서로 다른 2개의 모드로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드{Avalanche Photodiode that can Operate as One of Single Photon Detection Devices Operating in Two Different Modes}
본 실시예는 SPAD 및 NFAD, 2개의 모드로 동작되는 단일광자 검출소자 중 어느 하나로 동작할 수 있는 아발란치 포토 다이오드에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
정보 통신 기술의 발달과 함께 양자 암호 통신에서 단일 광자(Single Photon) 수준의 미약한 광 신호를 검출할 수 있는 단일광자 검출장치(Single Photon Detector)의 중요성이 대두되고 있다.
단일광자 검출장치는 1.3㎛ 내지 1.5㎛의 장거리 통신 파장대역에 적합하며, 특히, 단일 광자와 같이 미약한 세기의 광 신호를 검출하는데 효과적이다. 이러한 단일광자 검출장치는 주로, InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토다이오드)를 수광소자로 사용한다.
APD는 단일 광자를 검출하기 위해 항복 전압(Breakdown Voltage) 이상에서 동작하는데, 이를 가이거 모드(Geiger Mode)라고 한다. 가이거 모드에서는 APD의 접합 영역(PN Junction)으로 큰 역전압이 인가되며, 이로 인해, 접합 영역에는 큰 전자장(Electric Field)이 형성된다. 이때, 접합 영역으로 입사된 광자(Photon)에 의해 접합 영역에는 전자-정공 쌍(Electron-Hole Pair)이 생성된다. 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 에너지를 획득한 전자-정공 쌍은 차례로 가속되며, 새로운 전자-정공 쌍을 생성시킨다. 이러한 현상이 누적적으로 발생하는 것을 아발란치(Avalanche, 전자사태) 현상이라고 한다.
가이거 모드는 다시, APD로 펄스 또는 사인파 형태의 게이트 신호가 인가될 경우, 게이트 신호에 의해 항복전압 이상의 경우에서 단일광자를 검출하는 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)와 항복 전압 이상의 직류 전원이 지속적으로 인가되며 ??칭(Quenching) 저항을 이용하여 ??칭시킴으로써 지속적으로 단일 광자를 검출하는 프리 런닝 모드(Free Running Mode)로 구분된다. 양자는 동작이 상이하기에, 각 모드로 동작할 APD는 서로 다른 구조로 구현된다. 양 모드의 구조적 차이에 의해, 특정 모드로 동작하는 APD는 해당 모드밖에는 동작할 수 없으며, 다른 모드로 동작하기 위해서는 APD가 교체되어야 하는 불편이 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 2개의 모드 중 어느 하나로 선택적으로 동작 가능한 단일광자 검출장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 모두로 동작 가능하되, 어느 하나로 선택적으로 동작하는 아발란치 포토 다이오드에 있어서, 광자를 수광하여 광전류를 생성하는 포토 다이오드와 제1 직류 전원과 게이트 전원 또는 제2 직류 전원을 인가받는 캐소드단과 광자가 입사될 때 SPAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제1 애노드단 및 광자가 입사될 때, NFAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제2 애노드단을 포함하는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 아발란치 포토 다이오드가 SPAD로서 동작할 경우, 상기 제2 애노드단이 터미네이션(Termination)되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 캐소드단은 상기 제1 직류 전원과 상기 게이트 전원을 인가받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 게이트 전원은 사인파형 또는 펄스파형인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 직류 전원은 상기 아발란치 포토 다이오드의 항복전압보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 애노드단으로 제1 검출 저항이 연결되며, 생성되는 아발란치 신호가 검출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 제1 애노드단이 터미네이션되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 캐소드단은 상기 제2 직류 전원만을 인가받는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 직류 전원은 상기 아발란치 포토 다이오드의 항복전압보다 큰 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 애노드단으로 ??칭(Quenching) 저항이 연결되며, 생성되는 아발란치 신호를 강하시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상황에 따라 게이티드 가이거 모드 또는 프리 런닝모드 중 어느 하나로 선택되어 동작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 일 구현예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치를 포함한 단일광자 검출 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치로 인가되는 직류 전원 및 게이트 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치로 인가되는 직류 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 NFAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치가 NFAD 역할을 함에 있어 광자가 입사되는 최적의 위치로 정렬되는 방법을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치의 일 구현예를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치를 포함한 단일광자 검출 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출 시스템(200)은 단일광자 검출장치(110), 직류 전원(120) 및 게이트 전원(125)을 포함한다.
단일광자 검출장치(110)는 전원을 인가받아 유입되는 광자를 검출한다. 단일광자 검출장치(110)는 전원을 인가받는 캐소드단(C), 광자를 유입받아 아발란치 신호(광전류)를 생성하는 포토 다이오드(210) 및 포토 다이오드로부터 생성되는 아발란치 신호가 출력되는 애노드단(A)을 포함한다.
단일광자 검출장치(110)는 InGaAs/InP 타입의 APD(Avalanche Photo Diode, 또는, 아발란치 포토 다이오드)로 구현될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단일광자 검출장치(110)는 캐소드단(C)으로 직류 전원 또는 직류 전원과 게이트 신호(게이트 전원)을 수신함으로써, 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 전압(도 3 또는 4를 참조하여 후술할 Vgh 또는 Vg2)에서 광 검출을 수행하는 가이거 모드로 동작한다. 여기서, 가이거 모드는, 단일광자 검출장치(110)가 항복 전압(VB)보다 큰 역바이어스 조건(Vgh 또는 Vg2)에서 광검출을 수행하는 동작을 의미한다. 즉, 단일광자 검출장치(110)가 게이트 신호(GS)에 의해 가이거 모드로 동작하며, 외부로부터 광자를 수신함에 따라 단일광자 검출장치(110)의 내부에서는 캐리어가 증폭되는 아발란치 현상(또는, 증폭)이 발생한다. 보다 구체적으로 설명하면, 단일광자 검출장치(110)는 게이트 신호(GS)에 의해 역방향으로 바이어스 될 경우, 인가된 게이트 신호(GS)의 바이어스 전압(Vgh 또는 Vg2)에 의해 단일광자 검출장치(110)의 PN 접합면에서는 높은 전계가 형성된다. 이때, 광자의 흡수에 의해 생성된 캐리어가 단일광자 검출장치(110)의 증폭층으로 주입되면, 연속적인 아발란치 증폭(Avalanche Impact Ionization)을 거쳐, 단일광자 검출장치(110) 내부에서는 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche Breakdown)이 발생한다. 이에 따라, 단일광자 검출장치(110)는 아발란치 신호(광전류)를 출력한다.
단일광자 검출장치(110)는 애노드단(A)으로서, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로의 역할을 위해 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 경우의 아발란치 신호가 출력되는 제1 애노드단(A1) 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로의 역할을 위해 프리 런닝 모드(Free Running Mode)로 동작할 경우의 아발란치 신호가 출력되는 제2 애노드단(A2)을 포함한다. 여기서, 제1 애노드단과 제2 애노드단은 도 1에 도시된 바와 같이 각각 서로 다른 단자로 구현될 수도 있으며, 일 단자에서 분기되어 형성될 수도 있다. 단일광자 검출장치(110)는 캐소드단(C)과 함께 어떠한 애노드단이 외부 장치(예를 들어, 광자 수신장치 또는 통신장치 등)에 연결될지 여부에 따라 동작할 모드가 결정된다. 나아가, 경우에 따라 제1 애노드단(A1)으로는 게이티드 가이거 모드로 동작할 경우의 아발란치 신호 외에, 후술할 포토 다이오드(도 2를 참조하여 후술)가 선형 모드(Linear Mode)로 동작할 때의 출력값이 출력될 수도 있다.
단일광자 검출장치(110)가 게이티드 가이거 모드(Gated Geiger Mode)로 동작할 경우, 캐소드단(C)으로는 직류 전원(120) 및 게이트 신호(GS)로서 게이트 전원(125)이 인가되고, 제1 애노드단(A1)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 폐회로를 형성하며, 제2 애노드단(A2)은 터미네이션(Termination)된다. 캐소드단(C)으로 인가되는 직류 전원(120) 및 게이트 전원(125)의 파형은 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 APD로 인가되는 직류 전원 및 게이트 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 일반적으로, 게이트 신호(GS)는 게이트 오프(Gate-off, Tna) 기간 동안 항복 전압(VB)보다 작은 제1 바이어스 전압(Vg1)으로 유지되며, 게이트 온(Gate-on, Ta) 기간 동안 제1 바이어스 전압(Vg1)보다 큰 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지된다. 여기서, 제1 바이어스 전압(Vg1)은 직류 전원(120)으로부터 발생된 바이어스 전압(Vdc)과 동일한 전압일 수 있다.
게이트 신호(GS)의 진폭(VG)은 제2 바이어스 전압(Vgh)과 제1 바이어스 전압(Vg1)의 차로 나타낼 수 있으며, 주기(Tg)는 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점으로부터 다음 게이트 온(Ta)이 시작되는 지점까지를 의미한다. 항복 전압(VB)과 게이트 신호(GS)의 제2 바이어스 전압(Vgh) 간의 차전압(ΔV1, 또는, 차전압의 절대값)은 오버 바이어스(Over Bias) 전압을 의미한다. 게이트 신호(GS)는 수십 메가 헤르츠(MHz) 내지 수 기가 헤르츠(GHz)의 주파수로 구성될 수 있다.
도 3에는 게이트 전원이 펄스 파형으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 사인파형으로 구현될 수도 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 이와 같은 게이트 신호(GS)는 캐소드단(C)으로 전송되며, 게이트 신호(GS)에 의해 단일광자 검출장치(110)는 게이티드 가이거 모드로 동작한다. 이때, 광자(Photon)는 단일광자 검출장치(110) 내 포토 다이오드(210)로 입력되는데, 게이트 신호(GS)가 제2 바이어스 전압(Vgh)으로 유지되는 활성화 기간(Ta)에 입사되는 것으로 설정한다. 단일광자 검출장치(110)로 게이트 신호(GS)가 인가됨에 따라, 포토 다이오드(210)는 활성화 기간(Ta) 동안 광자를 검출한다. 광자를 검출한 경우, 포토 다이오드(210)는 아발란치 신호(광전류)를 생산하여 제1 애노드단(A1)으로 바로 출력한다. 출력된 아발란치 신호는 제1 검출저항(RO1)을 거치며, 제1 검출저항 양단간 전압 형태로 검출된다.
한편, 단일광자 검출장치(110)가 프리 런닝모드(Free Running Mode)로 동작할 경우, 캐소드단(C)으로는 직류 전원(120)만이 게이트 신호(GS)로 인가되고, 제2 애노드단(A2)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 폐회로를 형성하며, 제1 애노드단(A1)은 터미네이션(Termination)된다. 캐소드단(C)으로 인가되는 직류 전원(120)의 파형은 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 APD로 인가되는 직류 전원의 파형을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 단일광자 검출장치(110)의 캐소드단(C)으로 직류 전원(120)에 의한, 항복 전압(VB)보다 큰 바이어스 전압(Vg2)이 인가된다. 항복 전압보다 큰 DC 전원이 인가되기 때문에, 단일광자 검출장치(110)는 전원의 인가시점부터 시간과 무관하게 지속적으로 가이거 모드로 동작할 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 이와 같은 직류 전원(120, Vgh)(만)이 캐소드단(C)으로 인가되며, 단일광자 검출장치(110)는 프리 런닝모드로 동작한다.
단일광자 검출장치(110)의 애노드 단(A2)으로 ??칭(Quenching) 저항(RQ)이 배치된다. 항복 전압(VB) 이상의 직류 전원(120)이 인가되는 경우, 인가 이후 시점이라면 언제든지 광자가 포토 다이오드(210)에 의해 검출될 수 있다. 광자가 검출되는 경우 포토 다이오드(210)에서 아발란치 신호가 생성되는데, 아발란치 신호가 생성되는 도중에 광자가 추가로 포토 다이오드(210)로 입사되는 경우가 발생할 수 있다. 아발란치 신호가 생성되는 도중에 광자가 추가로 입사하는 경우, 포토 다이오드(210)에서 생성되는 아발란치 신호가 이전에 입사된 광자에 의한 것인지 추가로 입사된 광자에 의한 것인지 불명확하여 검출결과가 부정확해지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 단일광자 검출장치(110)의 애노드 단(A2)으로 ??칭 저항(RQ)이 배치된다. ??칭 저항(RQ)이 광자 검출에 의한 아발란치 신호를 빠른 속도로 강하시키며, 포토 다이오드(210)를 안정화시킨다. 이에 따라, 일정한 간격을 두고 연달아 광자가 입사되더라도, 프리 런닝모드로 동작하는 단일광자 검출장치(110) 내 포토 다이오드(210)는 모든 광자를 검출할 수 있다. ??칭 효율을 향상시키기 위해, ??칭 저항(RQ)은 0.1 내지 1.5㏁의 범위 내의 저항값을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로 0.5㏁의 저항값을 가질 수 있다.
??칭 저항을 거쳐 출력되는 아발란치 신호는 제2 검출저항(RO2)을 거치며, 제2 검출저항 양단간 전압 형태로 검출된다.
단일광자 검출장치(110)의 캐소드단(C) 및 제1 애노드단(A1)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 게이티드 가이거 모드로 동작할 수 있으며, 게이트 온(Ta) 시간 동안 광자를 검출하는 SPAD의 역할을 한다. 반대로, 단일광자 검출장치(200)의 캐소드단(C) 및 제2 애노드단(A2)이 외부 장치(미도시)와 연결되어 프리 런닝모드로 동작할 수 있으며, 시간과 무관하게 광자를 검출하는 NFAD의 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 SPAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 NFAD 역할을 하는 단일광자 검출장치 내 포토 다이오드의 수광영역 위치와 APD에서 생성되는 광전류와의 관계를 도시한 그래프이다.
포토 다이오드(210)는 광자를 입사받아 아발란치 신호(광전류)를 생성하는데, 광자가 입사되는 위치에 따라 생성하는 신호의 크기가 상이해진다. 광자가 포토 다이오드(210)의 수광 영역 내 중심으로 입사할 경우 가장 큰 크기를 갖는 신호가 생성되며, 광자의 입사위치가 중심으로부터 멀어질수록 크기가 감소하게 된다.
이때, 단일광자 검출장치(110)가 게이티드 가이거 모드로 동작(SPAD)할 경우, 상대적으로 차전압(ΔV1)이 크게 형성되는 점 및 애노드단(A1)에 ??칭저항이 존재하지 않는 점에서, 생성되는 아발란치 신호(광전류)의 크기는 도 5에 도시된 그래프와 같이 포토 다이오드(210)의 수광 영역의 위치에 따라 뚜렷하게 구분된다. 도 5에서와 같이, 포토 다이오드(210)가 광자를 자신의 수광 영역 내 중심으로 입사받을 수 있는 위치를 510이라 가정하면, 포토 다이오드(210)가 510에 배치되었을 때 가장 큰 아발란치 신호가 생성되며 510으로부터 멀어질수록 점점 신호의 크기가 감소하게 된다.
반면, 단일광자 검출장치(110)가 프리 런닝모드로 동작(NFAD)할 경우, ??칭저항(RQ)의 존재에 의해 애노드단(A2)에 일정 크기 이상의 전류가 흐르면 차단되는 점에서, 도 6에 도시된 그래프와 같이 저항에 의한 아발란치 신호의 강하가 발생한다. 510으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 위치에서 510으로 근접할수록 아발란치 신호의 크기는 증가하나, 510으로부터 기 설정된 반경 내에서는 510과의 거리차와 무관하게 아발란치 신호가 포화(Saturation)되어 유사한 크기의 아발란치 신호가 생성된다.
이와 같은 특징은 다음의 결과를 불러올 수 있다. NFAD가 광자를 검출할 장소에 배치될 필요가 있는 상황에서 NFAD가 바로 해당 장소에 배치될 경우, NFAD로부터 생성되는 아발란치 신호의 포화로 인해 포토 다이오드(210)가 수광영역 내 광자를 정확히 수광할 수 있는 위치(510)에 정확히 배치될 수 있는 확률은 지극히 낮아진다. 반면, 단일광자 검출장치(110)는 NFAD 역할과 SPAD 역할을 모두 수행할 수 있기에, NFAD 역할의 장치(110)가 배치될 필요가 있는 상황이더라도, 장치(110)가 SPAD 역할을 먼저 수행하여 포토 다이오드(210)가 광자를 수광할 수 있는 최적의 위치(510)를 찾을 수 있으며, 해당 위치에 배치된 장치가 NFAD의 역할을 수행할 수 있다. 단일광자 검출장치(110)는 외부장치(미도시)와 연결되는 단자(또는 터미네이션되는 단자)만 달라지면 수행하는 역할이 달라질 수 있기 때문에, 단일광자 검출장치(110)가 NFAD의 역할을 수행할 필요가 있는 상황에서라도, 위치(510)로의 정렬에 있어 SPAD의 역할을 우선하여 수행함으로써 최적의 위치(510)를 손쉽게 찾을 수 있다.
광자의 검출에 있어 최적의 위치를 찾는 것과 그렇지 못한 것은 다음과 같은 차이를 불러올 수 있다.
NFAD로 동작하는 장치(110)가 바로 정렬된 경우, SPAD가 우선하여 정렬된 경우에 비해 단일광자 검출장치의 검출효율이 8 내지 12% 감소한다. 검출효율의 감소는 ??칭 저항이 커질 경우 보다 뚜렷이 나타날 수 있다. ??칭 저항의 크기가 증가할 경우, 검출효율은 12 내지 15%까지 감소한다.
단일광자 검출장치(110)가 SPAD와 NFAD 모두로 동작할 수 있기에, 보다 정확히 정렬되어 광자의 검출효율을 향상시킬 수 있다.
다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로 동작하기 위해서는 상대적으로 엄격히 제한된 환경에서 동작하여야 한다. 이에, 단일광자 검출장치(110), 특히, 포토 다이오드(210)는 NFAD로 동작할 경우 최적의 위치로 정렬함에 있어, 우선적으로 SPAD 대신 선형 모드로 동작할 수 있다. 포토 다이오드(210) 양단에 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 수 있을 크기의 전압이 인가되도록, 단일광자 검출장치(110)의 캐소드 단(C)으로 적절한 크기의 전압이 인가된다. 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 경우, 제2 애노드단(A2)은 터미네이션 되거나 오픈(Open)될 수 있다. 제2 애노드단이 터미네이션되거나 오픈될 경우, 포토 다이오드에서 생성되는 광전류는 제1 애노드단(A1)으로 출력된다. 포토 다이오드(210)가 선형 모드로 동작할 경우, SPAD로 동작할 때의 출력과 같이 제1 애노드단(A1)에서 광자가 정확히 수광되는 위치에서 가장 큰 크기의 신호가 검출된다. 이에 따라, 단일광자 검출장치(110)는 광자를 수광할 수 있는 최적의 위치(510)를 찾을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자 검출장치가 NFAD로 동작함에 있어 광자가 입사되는 최적의 위치로 정렬되는 방법을 도시한 도면이다.
단일광자 검출장치(110)는 SPAD로 동작한다(S710). 단일광자 검출장치(110)는 NFAD로 동작하기에 앞서, 먼저 게이티드 가이거 모드로 동작하여 SPAD로서 동작한다. 다만, 전술한 대로, 반드시 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로서 동작하는 것에 한정되는 것은 아니고, 선형 모드로 동작할 수 있다.
단일광자 검출장치(110)는 위치를 조정하며 각 위치에서의 광전류량을 측정한다(S720). 광자가 자신의 중심으로 입사할 수 있는 위치로의 정렬을 위해, 단일광자 검출장치(110)는 조정될 수 있는 범위 내에서 위치를 조정하며 각 위치에서의 아발란치 신호(광전류)의 크기를 측정한다.
단일광자 검출장치(110)는 가장 큰 광전류가 발생한 위치로 위치를 조정한다(S730). 단일광자 검출장치(110)는 SPAD로 동작하면서 가장 큰 광전류가 발생한 위치로 위치를 조정한다. 단일광자 검출장치(110)가 SPAD로 동작하기 때문에, 광자가 자신의 중심으로 입사할 수 있는 위치로 정확히 정렬을 할 수 있다.
단일광자 검출장치(110)는 해당 위치에서 NFAD로 동작한다(S740).
도 7에서는 각 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 각 도면에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 7은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 7에 도시된 과정들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 단일광자 검출장치
120: 직류 전원
125: 게이트 전원
200: 단일광자 검출 시스템

Claims (10)

  1. SPAD(Single Photon Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 및 NFAD(Negative Feedback Avalanche Diode)로 동작되는 단일광자 검출소자 모두로 동작 가능하되, 어느 하나로 선택적으로 동작하는 아발란치 포토 다이오드에 있어서,
    광자를 수광하여 광전류를 생성하는 포토 다이오드;
    제1 직류 전원과 게이트 전원 또는 제2 직류 전원을 인가받는 캐소드단;
    광자가 입사될 때 SPAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제1 애노드단; 및
    광자가 입사될 때, NFAD로서의 아발란치 신호를 출력하는 제2 애노드단을 포함하며,
    상기 아발란치 포토 다이오드가 SPAD로서 동작할 경우, 상기 제2 애노드단이 터미네이션(Termination)되고, 상기 캐소드단은 상기 아발란치 포토 다이오드의 항복전압보다 작은 크기를 갖는 제1 직류 전원과 상기 게이트 전원을 인가받고, 상기 제1 애노드단으로 제1 검출 저항이 연결되고, 생성되는 아발란치 신호가 검출되며,
    상기 아발란치 포토 다이오드가 NFAD로서 동작할 경우, 상기 제1 애노드단이 터미네이션되고, 상기 캐소드단은 상기 아발란치 포토 다이오드의 항복전압보다 큰 크기를 갖는 상기 제2 직류 전원만을 인가받고, 상기 제2 애노드단으로 ??칭(Quenching) 저항이 연결되며, 생성되는 아발란치 신호를 강하시키는 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 게이트 전원은,
    사인파형 또는 펄스파형인 것을 특징으로 하는 아발란치 포토 다이오드.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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