Detektor pojedynczego fotonu przełamał wąskie gardło 80% wydajności

Fotodetektor pojedynczego fotonuprzełamaliśmy wąskie gardło 80% wydajności

Pojedynczy fotonfotodetektorsą szeroko stosowane w dziedzinie fotoniki kwantowej i obrazowania pojedynczych fotonów ze względu na swoje kompaktowe wymiary i niskie koszty, jednak wiążą się z nimi następujące wąskie gardła techniczne.

Obecne ograniczenia techniczne

1. CMOS i SPAD z cienkim złączem: Mimo że charakteryzują się wysokim stopniem integracji i niskim jitterem czasowym, warstwa absorpcyjna jest cienka (kilka mikrometrów), a PDE jest ograniczone w obszarze bliskiej podczerwieni i wynosi jedynie około 32% przy 850 nm.

2. SPAD z grubym złączem: Charakteryzuje się warstwą absorpcyjną o grubości kilkudziesięciu mikrometrów. Produkty komercyjne charakteryzują się współczynnikiem PDE wynoszącym około 70% przy 780 nm, ale przebicie 80% jest niezwykle trudne.

3. Ograniczenia układu odczytu: Spad z grubym złączem wymaga napięcia przepolaryzowania powyżej 30 V, aby zapewnić wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia lawiny. Nawet przy napięciu gaszenia 68 V w tradycyjnych obwodach, PDE można zwiększyć jedynie do 75,1%.

Rozwiązanie

Optymalizacja struktury półprzewodnikowej SPAD. Konstrukcja z podświetleniem od tyłu: padające fotony zanikają wykładniczo w krzemie. Podświetlenie od tyłu zapewnia, że ​​większość fotonów jest absorbowana w warstwie absorpcyjnej, a wygenerowane elektrony są wstrzykiwane w obszar lawinowy. Ponieważ szybkość jonizacji elektronów w krzemie jest wyższa niż szybkość jonizacji dziur, wstrzykiwanie elektronów zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia lawinowego efektu. Kompensacja domieszkowania w obszarze lawinowym: Dzięki zastosowaniu procesu ciągłej dyfuzji boru i fosforu, płytkie domieszkowanie jest kompensowane, aby skoncentrować pole elektryczne w głębokim obszarze, z mniejszą liczbą defektów kryształu, co skutecznie redukuje szumy, takie jak DCR.

2. Układ odczytu o wysokiej wydajności. Wygaszanie o wysokiej amplitudzie 50 V. Szybkie przejście stanu. Praca multimodalna: dzięki połączeniu sygnałów WYGASZANIA i RESETOWANIA sterujących FPGA możliwe jest elastyczne przełączanie między pracą swobodną (wyzwalanie sygnałem), bramkowaniem (zewnętrzne sterowanie bramką) i trybami hybrydowymi.

3. Przygotowanie i pakowanie urządzenia. Zastosowano proces produkcji płytek SPAD z obudową motylkową. Płytka SPAD jest przyklejona do podłoża nośnego AlN i zamontowana pionowo na chłodnicy termoelektrycznej (TEC), a kontrola temperatury odbywa się za pomocą termistora. Włókna światłowodowe wielomodowe są precyzyjnie ustawione względem środka płytki SPAD, co zapewnia wydajne sprzężenie.

4. Kalibracja wydajności. Kalibrację przeprowadzono przy użyciu pikosekundowej diody laserowej o długości fali 785 nm (100 kHz) i przetwornika czasowo-cyfrowego (TDC, rozdzielczość 10 ps).

Streszczenie

Dzięki optymalizacji struktury SPAD (grube złącze, podświetlenie od tyłu, kompensacja domieszkowania) i udoskonaleniu układu wygaszania 50 V, badanie to z powodzeniem podniosło PDE krzemowego detektora pojedynczych fotonów do nowego poziomu 84,4%. W porównaniu z produktami komercyjnymi, jego kompleksowa wydajność została znacznie zwiększona, zapewniając praktyczne rozwiązania dla zastosowań takich jak komunikacja kwantowa, obliczenia kwantowe i obrazowanie o wysokiej czułości, które wymagają ultrawysokiej wydajności i elastyczności działania. Praca ta położyła solidny fundament pod dalszy rozwój krzemowych detektorów.detektor pojedynczego fotonutechnologia.