Ühe footoni fotodetektor on murdnud läbi 80% efektiivsuse kitsaskoha

Ühe footoni fotodetektoron murdnud läbi 80% efektiivsuse kitsaskoha

Üksikfotonfotodetektoron oma kompaktsuse ja madalate eeliste tõttu laialdaselt kasutusel kvantfotoonika ja üksikfootonite pildistamise valdkonnas, kuid nad seisavad silmitsi järgmiste tehniliste kitsaskohtadega.

Praegused tehnilised piirangud

1. CMOS ja õhukese ristmikuga SPAD: Kuigi neil on kõrge integreeritus ja madal ajastusvärin, on neeldumiskiht õhuke (mõned mikromeetrid) ja osaline differentsiaalefekt on piiratud lähiinfrapuna piirkonnas, moodustades 850 nm juures vaid umbes 32%.

2. Paksuühendustega SPAD: Sellel on kümnete mikromeetrite paksune neeldumiskiht. Kaubanduslike toodete osaline differentsiaaltegur (PDE) on 780 nm juures ligikaudu 70%, kuid 80% läbimurre on äärmiselt keeruline.

3. Lugemisahela piirangud: Paksuühendusega SPAD-transistor vajab suure laviinitõenäosuse tagamiseks üle 30 V ülepinget. Isegi 68 V kustutuspinge korral traditsioonilistes vooluringides saab osalist diferentsiaaltegurit suurendada vaid 75,1%-ni.

Lahendus

Optimeerige SPAD-i pooljuhtstruktuuri. Taustvalgustusega disain: langevad footonid lagunevad ränis eksponentsiaalselt. Taustvalgustusega struktuur tagab, et enamik footoneid neeldub neeldumiskihis ja tekitatud elektronid süstitakse laviinipiirkonda. Kuna elektronide ionisatsioonikiirus ränis on suurem kui aukudes, suurendab elektronide süstimine laviini tekkimise tõenäosust. Dopingu kompenseerimise laviinipiirkond: boori ja fosfori pideva difusiooniprotsessi abil kompenseeritakse madal doping, et koondada elektriväli sügavasse piirkonda, kus on vähem kristallidefekte, vähendades tõhusalt müra, näiteks DCR-i.

2. Suure jõudlusega näiduahel. 50 V suure amplituudiga summutus. Kiire oleku üleminek. Multimodaalne töö: FPGA juhtimissignaalide QUENCHING ja RESET kombineerimise abil saavutatakse paindlik ümberlülitus vaba töö (signaali päästik), lüliti (väline GATE-ajam) ja hübriidrežiimide vahel.

3. Seadme ettevalmistamine ja pakendamine. Kasutatakse SPAD-kiipide protsessi liblikpakendis. SPAD liimitakse AlN-kandja aluspinnale ja paigaldatakse vertikaalselt termoelektrilisele jahutile (TEC) ning temperatuuri reguleerimine saavutatakse termistori abil. Mitmemoodilised optilised kiud on SPAD-keskmega täpselt joondatud, et saavutada efektiivne sidestus.

4. Jõudluse kalibreerimine. Kalibreerimine viidi läbi 785 nm pikosekundilise impulsslaserdioodi (100 kHz) ja aeg-digitaalmuunduri (TDC, 10 ps resolutsioon) abil.

Kokkuvõte

SPAD-struktuuri (paksu üleminekuga, taustvalgustusega, dopingukompensatsiooniga) optimeerimise ja 50 V kustutusahela uuendamise abil saavutas see uuring ränipõhise ühefootoni detektori osatuletis-detektsiooni (PDE) uuele tasemele 84,4%. Võrreldes kaubanduslike toodetega on selle terviklik jõudlus oluliselt paranenud, pakkudes praktilisi lahendusi selliste rakenduste jaoks nagu kvantkommunikatsioon, kvantarvutus ja suure tundlikkusega pildistamine, mis nõuavad ülikõrget efektiivsust ja paindlikku toimimist. See töö on loonud kindla aluse ränipõhiste detektorite edasiseks arendamiseks.ühefootoni detektortehnoloogia.