Fotodetectoren voor afzonderlijke fotonen hebben de efficiëntiegrens van 80% doorbroken.

Fotodetector voor één fotonhebben de efficiëntiebeperking van 80% doorbroken.

Enkelvoudig fotonfotodetectorZe worden veel gebruikt op het gebied van kwantumfotonica en beeldvorming met enkele fotonen vanwege hun compacte formaat en lage kosten, maar ze stuiten op de volgende technische knelpunten.

Huidige technische beperkingen

1. CMOS en dunne-junctie SPAD: Hoewel ze een hoge integratie en lage timingjitter hebben, is de absorptielaag dun (een paar micrometers) en is de PDE beperkt in het nabij-infraroodgebied, met slechts ongeveer 32% bij 850 nm.

2. Dikke-junctie SPAD: Deze heeft een absorptielaag van tientallen micrometers dik. Commerciële producten hebben een PDE van ongeveer 70% bij 780 nm, maar het is extreem moeilijk om boven de 80% uit te komen.

3. Beperkingen van het uitleescircuit: Een dikke-junctie SPAD vereist een overspanning van meer dan 30V om een ​​hoge lawinekans te garanderen. Zelfs met een doofspanning van 68V in traditionele circuits kan de PDE slechts tot 75,1% worden verhoogd.

Oplossing

Optimaliseer de halfgeleiderstructuur van SPAD. Ontwerp met achtergrondverlichting: Invallende fotonen vervallen exponentieel in silicium. De structuur met achtergrondverlichting zorgt ervoor dat de meeste fotonen worden geabsorbeerd in de absorptielaag en dat de gegenereerde elektronen in het lawinegebied worden geïnjecteerd. Omdat de ionisatiesnelheid van elektronen in silicium hoger is dan die van gaten, zorgt elektroneninjectie voor een hogere kans op een lawine. Compensatiegebied voor doping in het lawinegebied: Door gebruik te maken van het continue diffusieproces van boor en fosfor wordt de ondiepe doping gecompenseerd om het elektrische veld te concentreren in het diepere gebied met minder kristaldefecten, waardoor ruis zoals DCR effectief wordt verminderd.

2. Hoogwaardig uitleescircuit. Snelle toestandsverandering bij hoge amplitude van 50V; Multimodale werking: Door de combinatie van FPGA-gestuurde QUENCHING- en RESET-signalen wordt flexibel geschakeld tussen vrije werking (signaaltrigger), gating (externe GATE-aansturing) en hybride modi.

3. Apparaatvoorbereiding en -verpakking. Er wordt gebruikgemaakt van het SPAD-waferproces met een butterfly-verpakking. De SPAD wordt aan het AlN-dragersubstraat gehecht en verticaal op de thermo-elektrische koeler (TEC) geplaatst. De temperatuur wordt geregeld met behulp van een thermistor. Multimode optische vezels worden nauwkeurig uitgelijnd met het midden van de SPAD om een ​​efficiënte koppeling te realiseren.

4. Prestatiekalibratie. De kalibratie werd uitgevoerd met behulp van een 785 nm picoseconde gepulseerde laserdiode (100 kHz) en een tijd-digitale converter (TDC, resolutie van 10 ps).

Samenvatting

Door de SPAD-structuur te optimaliseren (dikke junctie, achtergrondverlichting, dopingcompensatie) en het 50 V-uitschakelcircuit te innoveren, heeft deze studie de PDE van de op silicium gebaseerde single-fotondetector naar een nieuw hoogtepunt van 84,4% gebracht. Vergeleken met commerciële producten is de algehele prestatie aanzienlijk verbeterd, wat praktische oplossingen biedt voor toepassingen zoals kwantumcommunicatie, kwantumcomputing en zeer gevoelige beeldvorming die een ultrahoge efficiëntie en flexibele werking vereisen. Dit werk heeft een solide basis gelegd voor de verdere ontwikkeling van op silicium gebaseerde technologieën.enkel-fotondetectortechnologie.