Jednofotonski fotodetektor probio je usko grlo od 80% učinkovitosti

Jednofotonski fotodetektorprobili su usko grlo učinkovitosti od 80%

JednofotonskifotodetektorŠiroko se koriste u područjima kvantne fotonike i snimanja pojedinačnih fotona zbog svoje kompaktnosti i niske cijene, ali suočavaju se sa sljedećim tehničkim uskim grlima.

Trenutna tehnička ograničenja

1. CMOS i SPAD s tankim spojem: Iako imaju visoku integraciju i nisko vremensko podrhtavanje, apsorpcijski sloj je tanak (nekoliko mikrometara), a PDE je ograničen u bliskom infracrvenom području, s tek oko 32% na 850 nm.

2. SPAD s debelim spojem: Ima apsorpcijski sloj debljine nekoliko desetaka mikrometara. Komercijalni proizvodi imaju PDE od približno 70% na 780 nm, ali probijanje kroz 80% je izuzetno izazovno.

3. Ograničenja kruga za očitavanje: SPAD s debelim spojem zahtijeva napon preopterećenja veći od 30 V kako bi se osigurala visoka vjerojatnost lavine. Čak i s naponom gašenja od 68 V u tradicionalnim krugovima, PDE se može povećati samo na 75,1%.

Otopina

Optimizirajte poluvodičku strukturu SPAD-a. Dizajn s pozadinskim osvjetljenjem: Upadni fotoni eksponencijalno propadaju u siliciju. Struktura s pozadinskim osvjetljenjem osigurava da se većina fotona apsorbira u apsorpcijskom sloju, a generirani elektroni se ubrizgavaju u područje lavine. Budući da je brzina ionizacije elektrona u siliciju veća od brzine ionizacije šupljina, ubrizgavanje elektrona pruža veću vjerojatnost lavine. Kompenzacija dopiranja u području lavine: Korištenjem kontinuiranog procesa difuzije bora i fosfora, plitko dopiranje se kompenzira kako bi se električno polje koncentriralo u dubokom području s manje kristalnih defekata, učinkovito smanjujući šum poput DCR-a.

2. Visokoučinkoviti sklop za očitavanje. 50 V gašenje visoke amplitude Brzi prijelaz stanja; Multimodalni rad: Kombiniranjem FPGA upravljačkih signala GAŠENJA i RESET-a postiže se fleksibilno prebacivanje između slobodnog rada (okidač signala), upravljanja vratima (vanjski pogon vrata) i hibridnih načina rada.

3. Priprema i pakiranje uređaja. Usvojen je SPAD postupak izrade pločica s leptir pakiranjem. SPAD je spojen na AlN noseću podlogu i vertikalno postavljen na termoelektrični hladnjak (TEC), a kontrola temperature postiže se termistorom. Višemodna optička vlakna precizno su poravnata sa središtem SPAD-a kako bi se postiglo učinkovito spajanje.

4. Kalibracija performansi. Kalibracija je provedena korištenjem pikosekundne pulsne laserske diode od 785 nm (100 kHz) i vremenski-digitalnog pretvarača (TDC, rezolucija 10 ps).

Sažetak

Optimizacijom SPAD strukture (debeli spoj, pozadinsko osvjetljenje, kompenzacija dopiranja) i inovacijom kruga za gašenje od 50 V, ova studija uspješno je podigla parcijalnu diferencijalnu devijaciju silicijevog detektora jednog fotona na novu visinu od 84,4%. U usporedbi s komercijalnim proizvodima, njegove sveobuhvatne performanse su značajno poboljšane, pružajući praktična rješenja za primjene poput kvantne komunikacije, kvantnog računarstva i snimanja visoke osjetljivosti koje zahtijevaju ultra visoku učinkovitost i fleksibilan rad. Ovaj rad je postavio čvrste temelje za daljnji razvoj silicijevih detektora.detektor jednog fotonatehnologija.