Однофотонний фотодетектор подолав вузьке місце ефективності 80%

Однофотонний фотодетекторподолали вузьке місце ефективності у 80%

Однофотоннийфотодетекторшироко використовуються в галузі квантової фотоніки та однофотонної візуалізації завдяки своїм компактним та низьковартісним перевагам, але вони стикаються з наступними технічними недоліками.

Поточні технічні обмеження

1. КМОП-транзистор та SPAD з тонким переходом: хоча вони мають високу інтеграцію та низьке джиттер синхронізації, шар поглинання тонкий (кілька мікрометрів), а диференціальна диференціальна частота (PDE) обмежена в ближньому інфрачервоному діапазоні, складаючи лише близько 32% при 850 нм.

2. SPAD з товстим переходом: Він має поглинальний шар завтовшки в десятки мікрометрів. Комерційні продукти мають коефіцієнт поглинання парціальних з'єднань (PDE) приблизно 70% при 780 нм, але пробити 80% є надзвичайно складним завданням.

3. Обмеження схеми зчитування: SPAD з товстим переходом вимагає напруги перенапруги зміщення понад 30 В для забезпечення високої ймовірності лавини. Навіть при напрузі гасіння 68 В у традиційних схемах, коефіцієнт зчитування парціальних випромінювань (PDE) може бути збільшений лише до 75,1%.

Рішення

Оптимізація напівпровідникової структури SPAD. Конструкція з підсвічуванням: Падаючі фотони експоненціально розпадаються в кремнії. Структура з підсвічуванням гарантує, що більшість фотонів поглинається в шарі поглинання, а генеровані електрони інжектуються в область лавини. Оскільки швидкість іонізації електронів у кремнії вища, ніж у дірок, інжекція електронів забезпечує вищу ймовірність лавини. Компенсація легування в області лавини: Завдяки використанню процесу безперервної дифузії бору та фосфору, поверхневе легування компенсується для концентрації електричного поля в глибокій області з меншою кількістю дефектів кристалів, що ефективно зменшує шум, такий як DCR.

2. Високопродуктивна схема зчитування. Гасіння з високою амплітудою 50 В. Швидкий перехід станів; Мультимодальний режим роботи: шляхом поєднання сигналів керування ГАСІННЯМ та СКИДАННЯ FPGA досягається гнучке перемикання між вільним режимом (сигнальний тригер), стробуванням (зовнішнє керування стробом) та гібридним режимом.

3. Підготовка та упаковка пристрою. Використано процес виготовлення пластини SPAD з корпусом типу «метелик». SPAD з'єднаний з підкладкою-носієм AlN та вертикально встановлений на термоелектричному охолоджувачі (TEC), а контроль температури здійснюється за допомогою термістора. Багатомодові оптичні волокна точно вирівняні з центром SPAD для досягнення ефективного зв'язку.

4. Калібрування продуктивності. Калібрування проводилося за допомогою пікосекундного імпульсного лазерного діода 785 нм (100 кГц) та часо-цифрового перетворювача (TDC, роздільна здатність 10 пс).

Короткий зміст

Завдяки оптимізації структури SPAD (товстий перехід, підсвічування ззаду, компенсація легування) та впровадженню інновацій у схему гасіння 50 В, це дослідження успішно підняло диференціальну рівність часткових вироблень кремнієвого однофотонного детектора до нового рівня – 84,4%. Порівняно з комерційними продуктами, його комплексна продуктивність була значно покращена, забезпечуючи практичні рішення для таких застосувань, як квантова комунікація, квантові обчислення та високочутлива візуалізація, що вимагають надвисокої ефективності та гнучкості роботи. Ця робота заклала міцну основу для подальшого розвитку кремнієвих детекторів.однофотонний детектортехнології.