Az egyfotonos fotodetektorok áttörték a 80%-os hatékonysági szűk keresztmetszetet

Egyfotonos fotodetektoráttörték a 80%-os hatékonysági szűk keresztmetszetet

Egyetlen fotonfotodetektorszéles körben használják a kvantumfotonika és az egyfotonos képalkotás területén kompakt és alacsony költségű előnyeik miatt, de a következő technikai szűk keresztmetszetekkel szembesülnek.

Jelenlegi technikai korlátok

1. CMOS és vékony átmenetű SPAD: Bár magas integrációval és alacsony időzítési jitterrel rendelkeznek, az abszorpciós réteg vékony (néhány mikrométer), és a parciális differenciálegyenlet (PDE) a közeli infravörös tartományban korlátozott, 850 nm-en mindössze körülbelül 32%-os.

2. Vastagátmenetes SPAD: Több tíz mikrométer vastag abszorpciós réteggel rendelkezik. A kereskedelmi forgalomban kapható termékek PDE-értéke körülbelül 70% 780 nm-en, de a 80%-on való áttörés rendkívül nehéz.

3. Kiolvasó áramkör korlátai: A vastag átmenetű SPAD-ok 30 V-nál nagyobb túlfeszültséget igényelnek a magas lavinavalószínűség biztosításához. Még a hagyományos áramkörökben alkalmazott 68 V-os kioltófeszültség esetén is a parciális differenciálegyenlet (PDE) csak 75,1%-ra növelhető.

Megoldás

Optimalizálja az SPAD félvezető szerkezetét. Hátulról megvilágított kialakítás: A beeső fotonok exponenciálisan bomlanak le a szilíciumban. A hátulról megvilágított szerkezet biztosítja, hogy a fotonok többsége az abszorpciós rétegben elnyelődik, és a keletkezett elektronok a lavina régióba injektálódnak. Mivel a szilíciumban az elektronok ionizációs sebessége magasabb, mint a lyukaké, az elektronbefecskendezés nagyobb lavina valószínűséget biztosít. Doppingkompenzációs lavina régió: A bór és a foszfor folyamatos diffúziós folyamatának alkalmazásával a sekély doppingolás kompenzálódik, így az elektromos mező a mélyebb régióban koncentrálódik, kevesebb kristályhibával, hatékonyan csökkentve a zajt, például a DCR-t.

2. Nagy teljesítményű kiolvasó áramkör. 50 V-os nagy amplitúdójú kioltás Gyors állapotátmenet; Multimodális működés: Az FPGA vezérlő QUENCHING és RESET jelek kombinálásával rugalmas váltás érhető el a szabad működés (jel trigger), a kapuzás (külső GATE meghajtó) és a hibrid módok között.

3. Eszköz előkészítése és csomagolása. A SPAD ostyagyártási eljárást pillangó alakú tokozással alkalmazzák. A SPAD-ot az AlN hordozóhoz rögzítik, és függőlegesen a termoelektromos hűtőre (TEC) szerelik, a hőmérséklet-szabályozást pedig termisztor biztosítja. A többmódusú optikai szálakat pontosan a SPAD középpontjához igazítják a hatékony csatolás érdekében.

4. Teljesítménykalibráció. A kalibrációt 785 nm-es pikoszekundumos impulzuslézerdiódával (100 kHz) és idő-digitális konverterrel (TDC, 10 ps felbontás) végeztük.

Összefoglalás

A SPAD struktúra (vastag átmenet, hátulról megvilágított, doppingkompenzáció) optimalizálásával és az 50 V-os kioltó áramkör innovációjával ez a tanulmány sikeresen 84,4%-os szintre emelte a szilícium alapú egyfoton detektor parciális differenciálegyenletét (PDE). A kereskedelmi forgalomban kapható termékekhez képest átfogó teljesítménye jelentősen javult, gyakorlati megoldásokat kínálva olyan alkalmazásokhoz, mint a kvantumkommunikáció, a kvantum-számítástechnika és a nagy érzékenységű képalkotás, amelyek rendkívül nagy hatékonyságot és rugalmas működést igényelnek. Ez a munka szilárd alapot teremtett a szilícium alapú detektorok további fejlesztéséhez.egyfoton detektortechnológia.