Enkelvoudige fotonfotodetectorhebben de knelpunten van 80% efficiëntie doorbroken
Enkelvoudig fotonfotodetectorworden op grote schaal gebruikt op het gebied van kwantumfotonica en enkelfotonbeeldvorming vanwege hun compacte afmetingen en lage kosten. Ze hebben echter te kampen met de volgende technische knelpunten.
Huidige technische beperkingen
1. CMOS en dunne-junctie SPAD: Hoewel deze een hoge integratie en lage timing-jitter hebben, is de absorptielaag dun (enkele 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 doorbreken van 80% is een enorme uitdaging.
3. Circuitbeperkingen uitlezen: Dikke-junctie SPAD vereist een overspanningsspanning van meer dan 30 V om een hoge lawinewaarschijnlijkheid te garanderen. Zelfs met een blusspanning van 68 V in traditionele circuits kan de PDE slechts tot 75,1% worden verhoogd.
Oplossing
Optimaliseer de halfgeleiderstructuur van SPAD. Back-illuminated ontwerp: Invallende fotonen vervallen exponentieel in silicium. De back-illuminated structuur zorgt ervoor dat de meeste fotonen worden geabsorbeerd in de absorptielaag en 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 lawines. Dopingcompensatie lawinegebied: Door gebruik te maken van het continue diffusieproces van boor en fosfor, wordt de ondiepe doping gecompenseerd om het elektrische veld in het diepe gebied te concentreren met minder kristaldefecten, wat ruis zoals DCR effectief vermindert.
2. Hoogwaardig uitleescircuit. 50V blussing met hoge amplitude Snelle toestandsovergang; Multimodale werking: Door de FPGA-besturingssignalen QUENCHING en RESET te combineren, wordt flexibele omschakeling tussen vrije werking (signaaltrigger), gating (externe GATE-aandrijving) en hybride modi bereikt.
3. Voorbereiding en verpakking van het apparaat. Er wordt gebruikgemaakt van het SPAD-waferproces met een vlinderbehuizing. De SPAD wordt verlijmd met het AlN-dragersubstraat en verticaal geïnstalleerd op de thermo-elektrische koeler (TEC). De temperatuur wordt geregeld via een thermistor. Multimode optische vezels worden nauwkeurig uitgelijnd met het SPAD-centrum voor een efficiënte koppeling.
4. Prestatiekalibratie. De kalibratie werd uitgevoerd met een 785 nm picoseconde gepulste laserdiode (100 kHz) en een tijd-digitaalconverter (TDC, resolutie 10 ps).
Samenvatting
Door de SPAD-structuur (dikke junctie, back-illuminated, dopingcompensatie) te optimaliseren en het 50 V-bluscircuit te innoveren, heeft deze studie de PDE van de siliciumgebaseerde enkelfotondetector met succes naar een nieuw niveau van 84,4% gebracht. Vergeleken met commerciële producten zijn de algehele prestaties aanzienlijk verbeterd, wat praktische oplossingen biedt voor toepassingen zoals kwantumcommunicatie, kwantumcomputers en hooggevoelige beeldvorming die een ultrahoge efficiëntie en flexibele werking vereisen. Dit werk heeft een solide basis gelegd voor de verdere ontwikkeling van siliciumgebaseerdeenkelvoudige fotondetectortechnologie.
Plaatsingstijd: 28-10-2025