Jednofotonový fotodetektorprolomili úzké hrdlo 80% účinnosti
JednofotonovýfotodetektorJsou široce používány v oblasti kvantové fotoniky a zobrazování jednotlivých fotonů díky svým kompaktním rozměrům a nízkým nákladům, ale potýkají se s následujícími technickými nedostatky.
Aktuální technická omezení
1. CMOS a SPAD s tenkým přechodem: Přestože mají vysokou integraci a nízký časovací jitter, absorpční vrstva je tenká (několik mikrometrů) a PDE je omezená v blízké infračervené oblasti, s pouze asi 32 % při 850 nm.
2. SPAD s tlustým spojením: Vyznačuje se absorpční vrstvou o tloušťce desítek mikrometrů. Komerční produkty mají PDE přibližně 70 % při 780 nm, ale prorazit 80 % je extrémně náročné.
3. Omezení odečítacího obvodu: SPAD s tlustým spojem vyžaduje napětí nad 30 V, aby byla zajištěna vysoká pravděpodobnost laviny. I při zhášecím napětí 68 V v tradičních obvodech lze PDE zvýšit pouze na 75,1 %.
Řešení
Optimalizace polovodičové struktury SPAD. Konstrukce se zpětným osvětlením: Dopadající fotony se v křemíku exponenciálně rozpadají. Struktura se zpětným osvětlením zajišťuje, že většina fotonů je absorbována v absorpční vrstvě a generované elektrony jsou injektovány do lavinové oblasti. Protože rychlost ionizace elektronů v křemíku je vyšší než u děr, injektování elektronů poskytuje vyšší pravděpodobnost laviny. Kompenzace dopingu v lavinové oblasti: Použitím kontinuálního difúzního procesu boru a fosforu je mělké doping kompenzován, aby se elektrické pole koncentrovalo v hluboké oblasti s menším počtem krystalových defektů, což účinně snižuje šum, jako je DCR.
2. Vysoce výkonný odečítací obvod. Zhášení s vysokou amplitudou 50 V. Rychlý přechod stavů; Multimodální provoz: Kombinací řídicích signálů ZHÁŠENÍ a RESET FPGA je dosaženo flexibilního přepínání mezi volným provozem (spouštění signálem), hradlováním (externí pohon hradly) a hybridními režimy.
3. Příprava a balení zařízení. Používá se proces výroby destiček SPAD s motýlím pouzdrem. SPAD je spojen s nosným substrátem AlN a vertikálně instalován na termoelektrickém chladiči (TEC). Regulace teploty je zajištěna termistorem. Vícemódová optická vlákna jsou přesně zarovnána se středem SPADu pro dosažení efektivního propojení.
4. Kalibrace výkonu. Kalibrace byla provedena pomocí pikosekundové pulzní laserové diody o vlnové délce 785 nm (100 kHz) a časově-digitálního převodníku (TDC, rozlišení 10 ps).
Shrnutí
Optimalizací struktury SPAD (tlustý přechod, zadní osvětlení, kompenzace dopingu) a inovací 50V zhášecího obvodu se této studii podařilo úspěšně posunout parciální diferenciální rovnici (PDE) křemíkového jednofotonového detektoru na novou úroveň 84,4 %. Ve srovnání s komerčními produkty se výrazně zlepšil jeho komplexní výkon, což poskytuje praktická řešení pro aplikace, jako je kvantová komunikace, kvantové výpočty a vysoce citlivé zobrazování, které vyžadují ultravysokou účinnost a flexibilní provoz. Tato práce položila pevný základ pro další vývoj křemíkových detektorů.detektor jednoho fotonutechnologie.
Čas zveřejnění: 28. října 2025