Fotodetektor foton tunggal telah menembus hambatan efisiensi 80%

Fotodetektor foton tunggaltelah menembus hambatan efisiensi 80%

Foton tunggalfotodetektorbanyak digunakan dalam bidang fotonik kuantum dan pencitraan foton tunggal karena keunggulannya yang ringkas dan berbiaya rendah, tetapi mereka dihadapkan pada hambatan teknis berikut.

Keterbatasan teknis saat ini

1.CMOS dan SPAD sambungan tipis: Meskipun memiliki integrasi tinggi dan jitter waktu rendah, lapisan penyerapannya tipis (beberapa mikrometer), dan PDE terbatas di wilayah inframerah dekat, dengan hanya sekitar 32% pada 850 nm.

2. SPAD sambungan tebal: SPAD ini memiliki lapisan serapan setebal puluhan mikrometer. Produk komersial memiliki PDE sekitar 70% pada 780 nm, tetapi menembus angka 80% sangatlah sulit.

3. Batasan pembacaan sirkuit: SPAD sambungan tebal memerlukan tegangan bias lebih dari 30V untuk memastikan probabilitas longsor yang tinggi. Bahkan dengan tegangan pendinginan 68V pada sirkuit tradisional, PDE hanya dapat ditingkatkan hingga 75,1%.

Larutan

Optimalkan struktur semikonduktor SPAD. Desain iluminasi balik: Foton insiden meluruh secara eksponensial dalam silikon. Struktur iluminasi balik memastikan bahwa sebagian besar foton diserap di lapisan serapan, dan elektron yang dihasilkan diinjeksikan ke dalam daerah longsoran. Karena laju ionisasi elektron dalam silikon lebih tinggi daripada laju ionisasi lubang, injeksi elektron memberikan probabilitas longsoran yang lebih tinggi. Daerah longsoran kompensasi doping: Dengan menggunakan proses difusi boron dan fosfor yang berkelanjutan, doping dangkal dikompensasi untuk memusatkan medan listrik di daerah yang dalam dengan lebih sedikit cacat kristal, sehingga secara efektif mengurangi derau seperti DCR.

2. Rangkaian pembacaan berkinerja tinggi. Pendinginan amplitudo tinggi 50V Transisi status cepat; Operasi multimoda: Dengan menggabungkan sinyal QUENCHING dan RESET kontrol FPGA, peralihan fleksibel antara operasi bebas (pemicu sinyal), gating (penggerak GATE eksternal), dan mode hibrid tercapai.

3. Persiapan dan pengemasan perangkat. Proses wafer SPAD diadopsi, dengan kemasan kupu-kupu. SPAD direkatkan ke substrat pembawa AlN dan dipasang secara vertikal pada pendingin termoelektrik (TEC), dan kontrol suhu dicapai melalui termistor. Serat optik multimode disejajarkan secara presisi dengan pusat SPAD untuk mencapai kopling yang efisien.

4. Kalibrasi kinerja. Kalibrasi dilakukan menggunakan dioda laser pulsa pikodetik 785 nm (100 kHz) dan konverter waktu-digital (TDC, resolusi 10 ps).

Ringkasan

Dengan mengoptimalkan struktur SPAD (thick junction, back-illuminated, doping compensation) dan menginovasi sirkuit quenching 50 V, studi ini berhasil meningkatkan PDE detektor foton tunggal berbasis silikon ke level tertinggi baru, yaitu 84,4%. Dibandingkan dengan produk komersial, kinerja komprehensifnya telah ditingkatkan secara signifikan, memberikan solusi praktis untuk aplikasi seperti komunikasi kuantum, komputasi kuantum, dan pencitraan sensitivitas tinggi yang membutuhkan efisiensi ultra-tinggi dan operasi yang fleksibel. Penelitian ini telah meletakkan fondasi yang kokoh bagi pengembangan lebih lanjut detektor foton tunggal berbasis silikon.detektor foton tunggalteknologi.