Fotodetektor foton tunggal telah menembusi kesesakan kecekapan 80%.

Pengesan foto foton tunggaltelah mengatasi kesesakan kecekapan 80%

Foton tunggalpengesan fotodigunakan secara meluas dalam bidang fotonik kuantum dan pengimejan foton tunggal kerana kelebihannya yang padat dan kos rendah, tetapi ia berhadapan dengan kesesakan teknikal berikut.

Had teknikal semasa

1.CMOS dan SPAD simpang nipis: Walaupun ia mempunyai integrasi yang tinggi dan jitter masa yang rendah, lapisan penyerapan adalah nipis (beberapa mikrometer), dan PDE adalah terhad di kawasan inframerah dekat, dengan hanya kira-kira 32% pada 850 nm.

2. SPAD simpang tebal: Ia mempunyai lapisan penyerapan setebal puluhan mikrometer. Produk komersial mempunyai PDE kira-kira 70% pada 780 nm, tetapi menembusi 80% adalah sangat mencabar.

3. Baca batasan litar: SPAD simpang tebal memerlukan voltan bias lampau melebihi 30V untuk memastikan kebarangkalian runtuhan salji yang tinggi. Walaupun dengan voltan pelindapkejutan 68V dalam litar tradisional, PDE hanya boleh ditingkatkan kepada 75.1%.

Penyelesaian

Optimumkan struktur semikonduktor SPAD. Reka bentuk bercahaya belakang: Foton tuju mereput secara eksponen dalam silikon. Struktur bercahaya belakang memastikan bahawa kebanyakan foton diserap dalam lapisan penyerapan, dan elektron yang dihasilkan disuntik ke dalam kawasan runtuhan salji. Oleh kerana kadar pengionan elektron dalam silikon adalah lebih tinggi daripada lubang, suntikan elektron memberikan kebarangkalian runtuhan salji yang lebih tinggi. Kawasan runtuhan salji pampasan doping: Dengan menggunakan proses resapan berterusan boron dan fosforus, doping cetek dikompensasikan untuk menumpukan medan elektrik di kawasan dalam dengan kecacatan kristal yang lebih sedikit, sekali gus mengurangkan hingar seperti DCR dengan berkesan.

2. Litar bacaan berprestasi tinggi. Pelindapkejutan amplitud tinggi 50V Peralihan keadaan pantas; Operasi berbilang modal: Dengan menggabungkan isyarat PELINDUNGKEJUTAN dan SET SEMULA kawalan FPGA, pensuisan fleksibel antara operasi bebas (pencetus isyarat), get (pemacu GATE luaran) dan mod hibrid dicapai.

3. Penyediaan dan pembungkusan peranti. Proses wafer SPAD diguna pakai, dengan pakej rama-rama. SPAD diikat pada substrat pembawa AlN dan dipasang secara menegak pada penyejuk termoelektrik (TEC), dan kawalan suhu dicapai melalui termistor. Gentian optik berbilang mod dijajarkan dengan tepat dengan pusat SPAD untuk mencapai gandingan yang cekap.

4. Penentukuran prestasi. Penentukuran telah dijalankan menggunakan diod laser berdenyut pikosaat 785 nm (100 kHz) dan penukar digital masa (TDC, resolusi 10 ps).

Ringkasan

Dengan mengoptimumkan struktur SPAD (simpang tebal, pencahayaan belakang, pampasan doping) dan menginovasi litar pelindapkejutan 50 V, kajian ini berjaya meningkatkan PDE pengesan foton tunggal berasaskan silikon ke ketinggian baharu sebanyak 84.4%. Berbanding dengan produk komersial, prestasi komprehensifnya telah dipertingkatkan dengan ketara, menyediakan penyelesaian praktikal untuk aplikasi seperti komunikasi kuantum, pengkomputeran kuantum dan pengimejan sensitiviti tinggi yang memerlukan kecekapan ultra tinggi dan operasi fleksibel. Kerja ini telah meletakkan asas yang kukuh untuk pembangunan selanjutnya bagi pengesan foton berasaskan silikon.pengesan foton tunggalteknologi.