Viena fotona fotodetektors ir pārvarējis 80% efektivitātes sašaurinājumu

Viena fotona fotodetektorsir pārvarējuši 80% efektivitātes sašaurinājumu

Viena fotonafotodetektorstiek plaši izmantoti kvantu fotonikas un viena fotona attēlveidošanas jomā, pateicoties to kompaktajam izmēram un zemajām izmaksām, taču tie saskaras ar šādiem tehniskiem šķēršļiem.

Pašreizējie tehniskie ierobežojumi

1. CMOS un plānās pārejas SPAD: Lai gan tiem ir augsta integrācija un zema laika svārstība, absorbcijas slānis ir plāns (daži mikrometri), un PDE ir ierobežots tuvajā infrasarkanajā diapazonā, tikai aptuveni 32% pie 850 nm.

2. Biezo savienojumu SPAD: Tam ir desmitiem mikrometru biezs absorbcijas slānis. Komerciāli ražoto produktu PDE ir aptuveni 70% pie 780 nm, bet 80% caursišana ir ārkārtīgi sarežģīta.

3. Nolasāmās shēmas ierobežojumi: Biezo savienojumu SPAD tranzistoriem ir nepieciešams virs 30 V liels pārspriegums, lai nodrošinātu augstu lavīnas varbūtību. Pat ar dzēšanas spriegumu 68 V tradicionālajās shēmās PDE var palielināt tikai līdz 75,1 %.

Risinājums

Optimizēt SPAD pusvadītāju struktūru. Ar aizmugures apgaismojumu veidota konstrukcija: krītošie fotoni silīcijā sabrūk eksponenciāli. Ar aizmugures apgaismojumu veidotā struktūra nodrošina, ka lielākā daļa fotonu tiek absorbēti absorbcijas slānī, un ģenerētie elektroni tiek injicēti lavīnas zonā. Tā kā elektronu jonizācijas ātrums silīcijā ir augstāks nekā caurumiem, elektronu injicēšana nodrošina lielāku lavīnas varbūtību. Dopinga kompensācijas lavīnas zona: Izmantojot bora un fosfora nepārtrauktas difūzijas procesu, seklā dopinga kompensēšana ļauj koncentrēt elektrisko lauku dziļajā zonā ar mazāk kristāla defektiem, efektīvi samazinot troksni, piemēram, DCR.

2. Augstas veiktspējas nolasīšanas shēma. 50 V augstas amplitūdas dzēšana. Ātra stāvokļa pāreja. Multimodāla darbība: apvienojot FPGA vadības QUENCHING un RESET signālus, tiek panākta elastīga pārslēgšanās starp brīvo darbību (signāla aktivizētājs), vārtēšanu (ārējais GATE disks) un hibrīdrežīmiem.

3. Ierīces sagatavošana un iepakošana. Tiek izmantots SPAD vafeļu process ar tauriņveida iepakojumu. SPAD ir savienots ar AlN nesēja substrātu un vertikāli uzstādīts uz termoelektriskā dzesētāja (TEC), un temperatūras kontrole tiek panākta, izmantojot termistoru. Daudzmodu optiskās šķiedras ir precīzi izlīdzinātas ar SPAD centru, lai panāktu efektīvu savienojumu.

4. Veiktspējas kalibrēšana. Kalibrēšana tika veikta, izmantojot 785 nm pikosekunžu impulsa lāzera diodi (100 kHz) un laika digitālo pārveidotāju (TDC, 10 ps izšķirtspēja).

Kopsavilkums

Optimizējot SPAD struktūru (bieza pāreja, pretgaisma, dopinga kompensācija) un ieviešot jauninājumus 50 V dzēšanas ķēdē, šajā pētījumā veiksmīgi tika paaugstināts uz silīcija bāzes veidotā viena fotona detektora parciālais diferenciālais koeficients (PDE) līdz jaunam 84,4% līmenim. Salīdzinot ar komerciāliem produktiem, tā visaptverošā veiktspēja ir ievērojami uzlabota, nodrošinot praktiskus risinājumus tādām lietojumprogrammām kā kvantu komunikācija, kvantu skaitļošana un augstas jutības attēlveidošana, kam nepieciešama īpaši augsta efektivitāte un elastīga darbība. Šis darbs ir licis stabilu pamatu tālākai uz silīcija bāzes veidotu detektoru attīstībai.viena fotona detektorstehnoloģija.