Fotodetectorul cu un singur foton a depășit limita de eficiență de 80%

Fotodetector cu un singur fotonau depășit blocajul de eficiență de 80%

Foton unicfotodetectorsunt utilizate pe scară largă în domeniile fotonicii cuantice și imagisticii cu un singur foton datorită avantajelor lor compacte și de cost redus, dar se confruntă cu următoarele blocaje tehnice.

Limitări tehnice actuale

1. CMOS și SPAD cu joncțiune subțire: Deși au o integrare ridicată și un jitter de sincronizare redus, stratul de absorbție este subțire (câțiva micrometri), iar PDE este limitat în regiunea infraroșu apropiat, cu doar aproximativ 32% la 850 nm.

2. SPAD cu joncțiune groasă: Prezintă un strat de absorbție cu o grosime de zeci de micrometri. Produsele comerciale au o PDE de aproximativ 70% la 780 nm, dar depășirea a 80% este extrem de dificilă.

3. Limitările circuitului de citire: SPAD cu joncțiune groasă necesită o tensiune de suprapolarizare de peste 30V pentru a asigura o probabilitate ridicată de avalanșă. Chiar și cu o tensiune de stingere de 68V în circuitele tradiționale, EDP poate fi crescută doar la 75,1%.

Soluţie

Optimizează structura semiconductoare a SPAD. Design cu iluminare din spate: Fotonii incidenți se dezintegrează exponențial în siliciu. Structura cu iluminare din spate asigură că majoritatea fotonilor sunt absorbiți în stratul de absorbție, iar electronii generați sunt injectați în regiunea de avalanșă. Deoarece rata de ionizare a electronilor din siliciu este mai mare decât cea a golurilor, injecția de electroni oferă o probabilitate mai mare de avalanșă. Compensarea dopajului în regiunea de avalanșă: Prin utilizarea procesului de difuzie continuă a borului și fosforului, dopajul superficial este compensat pentru a concentra câmpul electric în regiunea profundă cu mai puține defecte cristaline, reducând eficient zgomotul precum DCR.

2. Circuit de citire de înaltă performanță. Stingere cu amplitudine mare de 50V Tranziție rapidă de stare; Funcționare multimodală: Prin combinarea semnalelor de STINGERE și RESETARE ale controlului FPGA, se realizează o comutare flexibilă între funcționarea liberă (declanșare semnal), pornire (acționare externă GATE) și modurile hibride.

3. Pregătirea și ambalarea dispozitivului. Se adoptă procesul de fabricare a plachetelor SPAD, cu o capsulă fluture. SPAD-ul este lipit de substratul purtător de AlN și instalat vertical pe răcitorul termoelectric (TEC), iar controlul temperaturii se realizează prin intermediul unui termistor. Fibrele optice multimode sunt aliniate precis cu centrul SPAD-ului pentru a realiza o cuplare eficientă.

4. Calibrarea performanței. Calibrarea a fost efectuată utilizând o diodă laser pulsată de 785 nm picosecunde (100 kHz) și un convertor digital de timp (TDC, rezoluție 10 ps).

Rezumat

Prin optimizarea structurii SPAD (joncțiune groasă, iluminare din spate, compensare a dopajului) și inovarea circuitului de stingere de 50 V, acest studiu a dus cu succes la creșterea echilibrată a detectorului de fotoni singulari pe bază de siliciu la un nou nivel de 84,4%. Comparativ cu produsele comerciale, performanța sa completă a fost îmbunătățită semnificativ, oferind soluții practice pentru aplicații precum comunicarea cuantică, calculul cuantic și imagistica de înaltă sensibilitate, care necesită o eficiență ultra-înaltă și o funcționare flexibilă. Această lucrare a pus o bază solidă pentru dezvoltarea ulterioară a detectorului pe bază de siliciu.detector cu un singur fotontehnologie.