Vieno fotono fotodetektoriusįveikė 80 % efektyvumo kliūtį
Vieno fotonofotodetektoriusdėl savo kompaktiškumo ir mažos kainos plačiai naudojami kvantinės fotonikos ir vieno fotono vaizdavimo srityse, tačiau susiduria su šiais techniniais kliūtimis.
Dabartiniai techniniai apribojimai
1. CMOS ir plonasandardžiai SPAD: nors jie pasižymi didele integracija ir mažu laiko virpesiu, sugerties sluoksnis yra plonas (keli mikrometrai), o PDE yra ribotas artimojo infraraudonojo spektro srityje – tik apie 32 % esant 850 nm bangos ilgiui.
2. Storosios sanglaudos SPAD: Jis pasižymi dešimčių mikrometrų storio sugerties sluoksniu. Komercinių gaminių PDE yra maždaug 70 % esant 780 nm bangos ilgiui, tačiau pramušti 80 % yra labai sunku.
3. Nuskaitykite grandinės apribojimus: storosios sandūros SPAD tranzistoriui reikalinga didesnė nei 30 V viršįtampio įtampa, kad būtų užtikrinta didelė lavinos tikimybė. Net ir esant 68 V gesinimo įtampai tradicinėse grandinėse, galimos diferenciacijos koeficientą (PDE) galima padidinti tik iki 75,1 %.
Sprendimas
Optimizuota SPAD puslaidininkinė struktūra. Apšviesta fono konstrukcija: krintantys fotonai silicyje slopsta eksponentiškai. Apšviesta fono struktūra užtikrina, kad dauguma fotonų būtų sugeriami sugerties sluoksnyje, o generuoti elektronai būtų įpurškiami į lavinos sritį. Kadangi elektronų jonizacijos greitis silicyje yra didesnis nei skylių, elektronų įpurškimas suteikia didesnę lavinos tikimybę. Legiravimo kompensavimo lavinos sritis: naudojant nuolatinį boro ir fosforo difuzijos procesą, kompensuojamas seklus legiravimas, kad elektrinis laukas būtų sutelktas gilesnėje srityje, kurioje būtų mažiau kristalų defektų, efektyviai sumažinant triukšmą, pvz., DCR.
2. Didelio našumo nuskaitymo grandinė. 50 V didelės amplitudės gesinimas. Greitas būsenos perėjimas; Multimodalinis veikimas: derinant FPGA valdymo QUENCHING ir RESET signalus, pasiekiamas lankstus perjungimas tarp laisvo veikimo (signalo paleidimas), sinchronizavimo (išorinis GATE pavara) ir hibridinių režimų.
3. Įrenginio paruošimas ir pakavimas. Taikomas SPAD plokštelių gamybos procesas su drugelio formos korpusu. SPAD yra sujungtas su AlN nešiklio pagrindu ir vertikaliai sumontuotas ant termoelektrinio aušintuvo (TEC), o temperatūra kontroliuojama termistoriumi. Daugiamodės optinės skaidulos yra tiksliai suderintos su SPAD centru, kad būtų užtikrintas efektyvus sujungimas.
4. Veikimo kalibravimas. Kalibravimas buvo atliktas naudojant 785 nm pikosekundinį impulsinį lazerinį diodą (100 kHz) ir laiko skaitmeninį keitiklį (TDC, 10 ps skiriamoji geba).
Santrauka
Optimizavus SPAD struktūrą (storosios sandūros, su foniniu apšvietimu, legiravimo kompensacija) ir atnaujinus 50 V gesinimo grandinę, šiame tyrime sėkmingai pakeltas silicio pagrindu sukurto vieno fotono detektoriaus galios diferenciacijos koeficientas (PDE) į naują 84,4 % aukštį. Palyginti su komerciniais produktais, jo visapusiškas našumas buvo gerokai pagerintas, suteikiant praktinių sprendimų tokioms reikmėms kaip kvantinė komunikacija, kvantiniai skaičiavimai ir didelio jautrumo vaizdavimas, kurioms reikalingas itin didelis efektyvumas ir lankstus veikimas. Šis darbas padėjo tvirtą pagrindą tolesnei silicio pagrindu sukurtų sprendimų plėtrai.vieno fotono detektoriustechnologijos.
Įrašo laikas: 2025 m. spalio 28 d.