Fotodetektor foton tunggaltelah menembus hambatan efisiensi 80%
Foton tunggalfotodetektorbanyak digunakan di bidang fotonika kuantum dan pencitraan foton tunggal karena keunggulan ukurannya yang ringkas dan biaya rendah, tetapi menghadapi kendala teknis berikut.
Keterbatasan teknis saat ini
1. CMOS dan SPAD sambungan tipis: Meskipun memiliki integrasi tinggi dan jitter waktu rendah, lapisan absorpsinya tipis (beberapa mikrometer), dan PDE terbatas di wilayah inframerah dekat, hanya sekitar 32% pada 850 nm.
2. SPAD sambungan tebal: Fitur ini memiliki lapisan penyerapan setebal puluhan mikrometer. Produk komersial memiliki PDE sekitar 70% pada 780 nm, tetapi menembus angka 80% sangatlah sulit.
3. Batasan rangkaian baca: SPAD sambungan tebal memerlukan tegangan bias berlebih lebih dari 30V untuk memastikan probabilitas longsoran yang tinggi. Bahkan dengan tegangan pemadaman 68V pada rangkaian tradisional, PDE hanya dapat ditingkatkan hingga 75,1%.
Larutan
Optimalkan struktur semikonduktor SPAD. Desain iluminasi belakang: Foton insiden meluruh secara eksponensial dalam silikon. Struktur iluminasi belakang memastikan bahwa sebagian besar foton diserap di lapisan absorpsi, dan elektron yang dihasilkan diinjeksikan ke wilayah longsoran. Karena laju ionisasi elektron dalam silikon lebih tinggi daripada lubang, injeksi elektron memberikan probabilitas longsoran yang lebih tinggi. Wilayah longsoran kompensasi doping: Dengan menggunakan proses difusi kontinu boron dan fosfor, doping dangkal dikompensasi untuk memusatkan medan listrik di wilayah dalam dengan lebih sedikit cacat kristal, secara efektif mengurangi kebisingan seperti DCR.
2. Sirkuit pembacaan berkinerja tinggi. Pemadaman amplitudo tinggi 50V; Transisi keadaan cepat; Operasi multimodal: Dengan menggabungkan sinyal QUENCHING dan RESET yang dikontrol FPGA, peralihan fleksibel antara operasi bebas (pemicu sinyal), gating (penggerak GATE eksternal), dan mode hibrida dapat dicapai.
3. Persiapan dan pengemasan perangkat. Proses wafer SPAD diadopsi, dengan kemasan berbentuk kupu-kupu. SPAD diikat ke substrat pembawa AlN dan dipasang secara vertikal pada pendingin termoelektrik (TEC), dan kontrol suhu dicapai melalui termistor. Serat optik multimode disejajarkan secara tepat dengan pusat SPAD untuk mencapai kopling yang efisien.
4. Kalibrasi kinerja. Kalibrasi dilakukan menggunakan dioda laser pulsa pikosekon 785 nm (100 kHz) dan konverter waktu-digital (TDC, resolusi 10 ps).
Ringkasan
Dengan mengoptimalkan struktur SPAD (sambungan tebal, iluminasi belakang, kompensasi doping) dan berinovasi pada sirkuit pemadaman 50 V, penelitian ini berhasil mendorong PDE detektor foton tunggal berbasis silikon ke tingkat yang lebih tinggi 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. Karya ini telah meletakkan dasar yang kuat untuk pengembangan lebih lanjut detektor berbasis silikon.detektor foton tunggalteknologi.
Waktu posting: 28 Oktober 2025