Jednofotónový fotodetektor prekonal úzke miesto s 80 % účinnosťou

Jednofotónový fotodetektorprekonali úzke miesto s 80 % účinnosťou

Jednofotónovýfotodetektorsa široko používajú v oblastiach kvantovej fotoniky a zobrazovania jednotlivých fotónov vďaka svojim kompaktným a lacným výhodám, ale čelia nasledujúcim technickým nedostatkom.

Aktuálne technické obmedzenia

1. CMOS a SPAD s tenkým spojom: Hoci majú vysokú integráciu a nízke časové chvenie, absorpčná vrstva je tenká (niekoľko mikrometrov) a PDE je obmedzená v blízkej infračervenej oblasti, pričom pri 850 nm dosahuje iba približne 32 %.

2. SPAD s hrubým spojom: Vyznačuje sa absorpčnou vrstvou s hrúbkou desiatok mikrometrov. Komerčné produkty majú PDE približne 70 % pri 780 nm, ale prelomenie 80 % je mimoriadne náročné.

3. Obmedzenia odčítavacieho obvodu: SPAD s hrubým spojom vyžaduje napätie prepätia nad 30 V, aby sa zabezpečila vysoká pravdepodobnosť lavíny. Aj pri zhášacom napätí 68 V v tradičných obvodoch je možné PDE zvýšiť iba na 75,1 %.

Riešenie

Optimalizácia polovodičovej štruktúry SPAD. Dizajn so zadným osvetlením: Dopadajúce fotóny sa v kremíku exponenciálne rozpadajú. Štruktúra so zadným osvetlením zaisťuje, že väčšina fotónov je absorbovaná v absorpčnej vrstve a generované elektróny sú vstreknuté do lavínovej oblasti. Pretože rýchlosť ionizácie elektrónov v kremíku je vyššia ako u dier, vstrekovanie elektrónov poskytuje vyššiu pravdepodobnosť lavíny. Kompenzácia dopovania v lavínovej oblasti: Použitím kontinuálneho difúzneho procesu bóru a fosforu sa kompenzuje plytké dopovanie, aby sa elektrické pole koncentrovalo v hlbokej oblasti s menším počtom kryštálových defektov, čím sa účinne znižuje šum, ako je DCR.

2. Vysokovýkonný odčítací obvod. 50V zhášanie s vysokou amplitúdou. Rýchly prechod stavov. Multimodálna prevádzka: Kombináciou signálov QUENCHING a RESET riadenia FPGA sa dosahuje flexibilné prepínanie medzi voľnou prevádzkou (spúšťanie signálom), hradlovaním (externý pohon GATE) a hybridnými režimami.

3. Príprava a balenie zariadenia. Používa sa proces výroby doštičiek SPAD s motýlím puzdrom. SPAD je spojený s nosným substrátom AlN a vertikálne inštalovaný na termoelektrickom chladiči (TEC) a regulácia teploty sa dosahuje pomocou termistora. Multimódové optické vlákna sú presne zarovnané so stredom SPAD, aby sa dosiahlo efektívne prepojenie.

4. Kalibrácia výkonu. Kalibrácia sa vykonala pomocou pikosekundovej pulznej laserovej diódy s vlnovou dĺžkou 785 nm (100 kHz) a časovo-digitálneho prevodníka (TDC, rozlíšenie 10 ps).

Zhrnutie

Optimalizáciou štruktúry SPAD (hrubý spoj, zadné osvetlenie, kompenzácia dopingu) a inováciou 50 V zhášacieho obvodu sa tejto štúdii podarilo úspešne posunúť parciálnu diferenciálnu diferenciálnu rovnicu (PDE) kremíkového jednofotónového detektora na novú úroveň 84,4 %. V porovnaní s komerčnými produktmi sa výrazne zlepšil jeho komplexný výkon, čo poskytuje praktické riešenia pre aplikácie, ako je kvantová komunikácia, kvantové výpočty a vysoko citlivé zobrazovanie, ktoré vyžadujú ultravysokú účinnosť a flexibilnú prevádzku. Táto práca položila pevný základ pre ďalší vývoj kremíkových detektorov.jednofotónový detektortechnológia.