Enofotonski fotodetektor je prebil ozko grlo 80-odstotne učinkovitosti

Enofotonski fotodetektorprebili so ozko grlo 80-odstotne učinkovitosti

EnofotonskifotodetektorZaradi svoje kompaktnosti in nizkih stroškov se pogosto uporabljajo na področju kvantne fotonike in slikanja z enim fotonom, vendar se soočajo z naslednjimi tehničnimi ozkimi grli.

Trenutne tehnične omejitve

1. CMOS in SPAD s tankimi spoji: Čeprav imata visoko integracijo in nizko časovno tresenje, je absorpcijska plast tanka (nekaj mikrometrov), PDE pa je omejena v bližnjem infrardečem območju, le približno 32 % pri 850 nm.

2. SPAD z debelim spojem: Ima absorpcijsko plast debelo več deset mikrometrov. Komercialni izdelki imajo PDE približno 70 % pri 780 nm, vendar je preboj čez 80 % izjemno zahteven.

3. Omejitve vezja za odčitavanje: SPAD z debelim spojem zahteva prenapetost nad 30 V, da se zagotovi visoka verjetnost plazov. Tudi pri napetosti gašenja 68 V v tradicionalnih vezjih se lahko parcialni diferencial poveča le na 75,1 %.

Rešitev

Optimizirajte polprevodniško strukturo SPAD. Zasnova z osvetlitvijo od zadaj: Vpadni fotoni v siliciju eksponentno propadajo. Struktura z osvetlitvijo od zadaj zagotavlja, da se večina fotonov absorbira v absorpcijski plasti, ustvarjeni elektroni pa se vbrizgajo v območje plazu. Ker je hitrost ionizacije elektronov v siliciju višja kot pri vrzelih, vbrizgavanje elektronov zagotavlja večjo verjetnost plazu. Kompenzacija dopiranja v območju plazu: Z uporabo neprekinjenega difuzijskega procesa bora in fosforja se plitev dopiranje kompenzira, da se električno polje koncentrira v globokem območju z manj kristalnimi napakami, kar učinkovito zmanjša šum, kot je DCR.

2. Visokozmogljivo odčitovalno vezje. 50 V gašenje z visoko amplitudo. Hiter prehod stanja; Večmodalno delovanje: Z združevanjem signalov GAŠENJA in PONASTAVITVE krmiljenja FPGA se doseže prilagodljivo preklapljanje med prostim delovanjem (sprožilec signala), krmiljenjem vrat (zunanji pogon vrat) in hibridnim načinom.

3. Priprava in pakiranje naprave. Uporabljen je postopek izdelave rezin SPAD z metuljčastim ohišjem. SPAD je pritrjen na nosilno podlago AlN in navpično nameščen na termoelektričnem hladilniku (TEC), nadzor temperature pa se doseže s termistorjem. Večmodna optična vlakna so natančno poravnana s središčem SPAD-a za doseganje učinkovite sklopitve.

4. Kalibracija delovanja. Kalibracija je bila izvedena z uporabo 785 nm pikosekundne pulzne laserske diode (100 kHz) in časovno-digitalnega pretvornika (TDC, ločljivost 10 ps).

Povzetek

Z optimizacijo strukture SPAD (debel spoj, osvetlitev od zadaj, kompenzacija dopinga) in inovacijo 50 V gašilnega vezja je ta študija uspešno dvignila parcialno diferencialno parcijo silicijevega enofotonskega detektorja na novo višino 84,4 %. V primerjavi s komercialnimi izdelki se je njegova celovita zmogljivost znatno izboljšala, kar zagotavlja praktične rešitve za aplikacije, kot so kvantna komunikacija, kvantno računalništvo in visokoobčutljivo slikanje, ki zahtevajo ultra visoko učinkovitost in prilagodljivo delovanje. To delo je postavilo trdne temelje za nadaljnji razvoj silicijevih detektorjev.detektor enega fotonatehnologija.