Yhden fotonin fotodetektoriovat murtaneet 80 prosentin hyötysuhteen pullonkaulan
Yksittäisfotonivaloilmaisinniitä käytetään laajalti kvanttifotoniikan ja yksittäisfotonien kuvantamisen aloilla niiden kompaktin koon ja edullisuuden ansiosta, mutta ne kohtaavat seuraavia teknisiä pullonkauloja.
Nykyiset tekniset rajoitukset
1. CMOS ja ohutliitos-SPAD: Vaikka niillä on korkea integraatio ja alhainen ajoitusvärähtely, absorptiokerros on ohut (muutama mikrometri) ja osittaisdifferentiaaliyhtälö on rajoittunut lähi-infrapuna-alueella, vain noin 32 % 850 nm:ssä.
2. Paksuliitos-SPAD: Siinä on kymmeniä mikrometrejä paksu absorptiokerros. Kaupallisten tuotteiden PDE on noin 70 % 780 nm:ssä, mutta 80 %:n läpäisy on erittäin haastavaa.
3. Lukemapiirin rajoitukset: Paksuliitosinen SPAD vaatii yli 30 V:n ylijännitettä lumivyöryn todennäköisyyden varmistamiseksi. Jopa 68 V:n sammutusjännitteellä perinteisissä piireissä osittaisdifferentiaalieroa voidaan nostaa vain 75,1 prosenttiin.
Ratkaisu
Optimoi SPAD:in puolijohderakenne. Taustavalaistu rakenne: Piissä tulevat fotonit hajoavat eksponentiaalisesti. Taustavalaistu rakenne varmistaa, että suurin osa fotoneista absorboituu absorptiokerrokseen ja syntyvät elektronit injektoituvat lumivyöryalueelle. Koska elektronien ionisaationopeus piissä on korkeampi kuin aukoissa, elektronien injektointi lisää lumivyöryn todennäköisyyttä. Seostuskompensaatiolumivyöryalue: Käyttämällä boorin ja fosforin jatkuvaa diffuusioprosessia matala seostus kompensoidaan keskittämällä sähkökenttä syvälle alueelle, jossa on vähemmän kidevirheitä, mikä vähentää tehokkaasti kohinaa, kuten DCR:ää.
2. Tehokas lukupiiri. 50 V:n suuren amplitudin sammutus Nopea tilanvaihto; Monimuotoinen toiminta: Yhdistämällä FPGA-ohjauksen QUENCHING- ja RESET-signaalit saavutetaan joustava vaihto vapaan toiminnan (signaalin liipaisu), portituksen (ulkoinen GATE-ohjain) ja hybriditilojen välillä.
3. Laitteen valmistelu ja pakkaaminen. Käytetään SPAD-kiekkoprosessia perhoskotelossa. SPAD on kiinnitetty AlN-kantoalustalle ja asennettu pystysuoraan termoelektriselle jäähdyttimelle (TEC), ja lämpötilan säätö saavutetaan termistorin avulla. Monimuoto-optiset kuidut on kohdistettu tarkasti SPAD-keskukseen tehokkaan kytkennän saavuttamiseksi.
4. Suorituskyvyn kalibrointi. Kalibrointi suoritettiin käyttämällä 785 nm:n pikosekunnin pulssilaserdiodia (100 kHz) ja aika-digitaalimuunninta (TDC, 10 ps:n resoluutio).
Yhteenveto
Optimoimalla SPAD-rakennetta (paksu liitos, taustavalaistu, dopingkompensointi) ja innovoimalla 50 V:n sammutuspiiriä, tässä tutkimuksessa onnistuttiin nostamaan piipohjaisen yksifotoni-ilmaisimen osittaisdifferentiaaliyhtälö (PDE) uudelle 84,4 %:n tasolle. Kaupallisiin tuotteisiin verrattuna sen kokonaisvaltaista suorituskykyä on parannettu merkittävästi, mikä tarjoaa käytännön ratkaisuja sovelluksiin, kuten kvanttiviestintään, kvanttilaskentaan ja herkkään kuvantamiseen, jotka vaativat erittäin korkeaa hyötysuhdetta ja joustavaa toimintaa. Tämä työ on luonut vankan pohjan piipohjaisten jatkokehitykselle.yksittäisfotoni-ilmaisinteknologia.
Julkaisuaika: 28.10.2025