Enfotonfotodetektorer har brutit igenom flaskhalsen med 80 % effektivitet

Enkelfotonfotodetektorhar brutit igenom flaskhalsen med 80 % effektivitet

Enkelfotonfotodetektoranvänds i stor utsträckning inom kvantfotonik och enfotonavbildning på grund av deras kompakta och låga kostnadsfördelar, men de konfronteras med följande tekniska flaskhalsar.

Nuvarande tekniska begränsningar

1. CMOS och thin-junction SPAD: Även om de har hög integration och lågt timing-jitter, är absorptionsskiktet tunt (några mikrometer), och PDE är begränsad i det nära-infraröda området, med endast cirka 32% vid 850 nm.

2. Tjockförbindande SPAD: Den har ett absorptionslager som är tiotals mikrometer tjockt. Kommersiella produkter har en PDE på cirka 70 % vid 780 nm, men att bryta igenom 80 % är extremt utmanande.

3. Avläs kretsens begränsningar: Tjockförbindelse-SPAD kräver en överspänningsspänning på över 30 V för att säkerställa en hög lavinsannolikhet. Även med en släckspänning på 68 V i traditionella kretsar kan PDE endast ökas till 75,1 %.

Lösning

Optimera halvledarstrukturen hos SPAD. Bakgrundsbelyst design: Infallande fotoner avklingar exponentiellt i kisel. Den bakgrundsbelysta strukturen säkerställer att majoriteten av fotonerna absorberas i absorptionsskiktet och de genererade elektronerna injiceras i lavinområdet. Eftersom joniseringshastigheten för elektroner i kisel är högre än för hål, ger elektroninjektion en högre sannolikhet för lavin. Dopningskompensation i lavinområdet: Genom att använda kontinuerlig diffusion av bor och fosfor kompenseras den ytliga dopningen för att koncentrera det elektriska fältet i det djupa området med färre kristalldefekter, vilket effektivt minskar brus som DCR.

2. Högpresterande avläsningskrets. 50V högamplitudsläckning Snabb tillståndsövergång; Multimodal drift: Genom att kombinera FPGA-styrsignalerna QUENCHING och RESET uppnås flexibel växling mellan fri drift (signaltrigger), gating (extern GATE-drivning) och hybridlägen.

3. Förberedelse och paketering av enheten. SPAD-waferprocessen används med ett fjärilspaket. SPAD binds till AlN-bärarsubstratet och installeras vertikalt på den termoelektriska kylaren (TEC), och temperaturkontroll uppnås via en termistor. Multimodoptiska fibrer är exakt inriktade med SPAD-centrum för att uppnå effektiv koppling.

4. Prestandakalibrering. Kalibreringen utfördes med en 785 nm pikosekunder pulserad laserdiod (100 kHz) och en tid-digital-omvandlare (TDC, 10 ps upplösning).

Sammanfattning

Genom att optimera SPAD-strukturen (tjock junction, bakbelyst, dopningskompensation) och förnya 50 V-släckningskretsen, lyckades denna studie höja PDE:n för den kiselbaserade enkelfotondetektorn till en ny höjd på 84,4 %. Jämfört med kommersiella produkter har dess omfattande prestanda förbättrats avsevärt, vilket ger praktiska lösningar för tillämpningar som kvantkommunikation, kvantberäkning och högkänslig avbildning som kräver ultrahög effektivitet och flexibel drift. Detta arbete har lagt en solid grund för vidareutveckling av kiselbaseradeenkelfotondetektorteknologi.