Еднофотонските фотодетектори го пробија тесното грло од 80% ефикасност

Фотодетектор со еден фотонго пробија тесното грло на ефикасност од 80%

Еднофотонфотодетекторсе широко користени во областите на квантната фотоника и снимањето со еден фотон поради нивните компактни и ниски трошоци, но се соочуваат со следниве технички тесни грла.

Тековни технички ограничувања

1.CMOS и SPAD со тенки споеви: Иако имаат висока интеграција и ниско временско треперење, слојот на апсорпција е тенок (неколку микрометри), а парцијалната диференцијална радијација е ограничена во регионот близу инфрацрвено, со само околу 32% на 850 nm.

2. SPAD со дебел спој: Се одликува со апсорпционен слој дебел десетици микрометри. Комерцијалните производи имаат PDE од приближно 70% на 780 nm, но пробивањето низ 80% е исклучително предизвикувачко.

3. Ограничувања на колото за отчитување: SPAD со дебел спој бара напон на пренапон од над 30 V за да се обезбеди голема веројатност за лавина. Дури и со напон на гаснење од 68 V во традиционалните кола, PDE може да се зголеми само на 75,1%.

Решение

Оптимизирајте ја полупроводничката структура на SPAD. Дизајн со позадинско осветлување: Инцидентните фотони експоненцијално се распаѓаат во силициумот. Структурата со позадинско осветлување осигурува дека поголемиот дел од фотоните се апсорбираат во апсорпциониот слој, а генерираните електрони се инјектираат во регионот на лавина. Бидејќи стапката на јонизација на електроните во силициумот е поголема од онаа на дупките, инјектирањето на електрони обезбедува поголема веројатност за лавина. Регион на лавина со компензација на допинг: Со користење на процесот на континуирана дифузија на бор и фосфор, плиткото допирање се компензира за да се концентрира електричното поле во длабокиот регион со помалку кристални дефекти, ефикасно намалувајќи го шумот како што е DCR.

2. Коло за отчитување со високи перформанси. 50V гаснење со висока амплитуда Брза транзиција на состојба; Мултимодално работење: Со комбинирање на сигналите QUENCHING и RESET за контрола на FPGA, се постигнува флексибилно префрлување помеѓу слободна работа (активирање на сигналот), гејтирање (надворешен GATE погон) и хибридни режими.

3. Подготовка и пакување на уредот. Применет е SPAD плофлен процес, со пеперутка во облик на пакување. SPAD е врзан за подлогата од носач AlN и вертикално инсталиран на термоелектричниот ладилник (TEC), а контролата на температурата се постигнува преку термистор. Мултимодни оптички влакна се прецизно порамнети со SPAD центарот за да се постигне ефикасно спојување.

4. Калибрација на перформансите. Калибрацијата беше извршена со употреба на 785 nm пикосекундна пулсирана ласерска диода (100 kHz) и временски-дигитален конвертор (TDC, резолуција од 10 ps).

Резиме

Со оптимизирање на SPAD структурата (дебел спој, позадинско осветлување, компензација на допинг) и иновирање на колото за гаснење од 50 V, оваа студија успешно ја зголеми PDE на детекторот со еден фотон базиран на силициум на нова висина од 84,4%. Во споредба со комерцијалните производи, неговите сеопфатни перформанси се значително подобрени, обезбедувајќи практични решенија за апликации како што се квантна комуникација, квантно пресметување и снимање со висока чувствителност кои бараат ултра-висока ефикасност и флексибилно работење. Оваа работа постави солидна основа за понатамошен развој на силициумски детектори.детектор со еден фотонтехнологија.