Tek fotonlu fotodedektörler %80 verimlilik darboğazını aştı

Tek fotonlu fotodedektör%80 verimlilik darboğazını aştık

Tek fotonfotodedektörKompakt ve düşük maliyetli avantajları nedeniyle kuantum fotonik ve tek foton görüntüleme alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar, ancak aşağıdaki teknik darboğazlarla karşı karşıyadırlar.

Mevcut teknik sınırlamalar

1. CMOS ve ince bağlantı SPAD: Yüksek entegrasyon ve düşük zamanlama titremesine sahip olmalarına rağmen, emilim tabakası incedir (birkaç mikron) ve PDE yakın kızılötesi bölgede sınırlıdır, 850 nm'de yalnızca yaklaşık %32'dir.

2. Kalın Bağlantılı SPAD: Onlarca mikrometre kalınlığında bir emilim tabakasına sahiptir. Ticari ürünlerin PDE'si 780 nm'de yaklaşık %70'tir, ancak %80'i aşmak son derece zordur.

3. Devre sınırlamalarını okuyun: Kalın bağlantı SPAD'ı, yüksek çığ olasılığını sağlamak için 30 V'un üzerinde bir aşırı gerilim voltajı gerektirir. Geleneksel devrelerde 68 V'luk bir söndürme voltajıyla bile, PDE yalnızca %75,1'e kadar artırılabilir.

Çözüm

SPAD'ın yarı iletken yapısını optimize edin. Arkadan aydınlatmalı tasarım: Gelen fotonlar silikonda üstel olarak bozunur. Arkadan aydınlatmalı yapı, fotonların çoğunun emilim katmanında emilmesini ve oluşan elektronların çığ bölgesine enjekte edilmesini sağlar. Silikondaki elektronların iyonlaşma hızı deliklerinkinden daha yüksek olduğundan, elektron enjeksiyonu çığ olasılığını artırır. Doping telafili çığ bölgesi: Bor ve fosforun sürekli difüzyon süreci kullanılarak, sığ katkı telafi edilerek elektrik alanı daha az kristal kusuru ile derin bölgede yoğunlaştırılır ve DCR gibi gürültüler etkili bir şekilde azaltılır.

2. Yüksek performanslı okuma devresi. 50V yüksek genlikli söndürme Hızlı durum geçişi; Çok modlu çalışma: FPGA kontrol QUENCHING ve RESET sinyallerinin birleştirilmesiyle, serbest çalışma (sinyal tetikleme), gating (harici GATE sürücüsü) ve hibrit modlar arasında esnek geçiş sağlanır.

3. Cihaz hazırlama ve paketleme. SPAD yonga işlemi, kelebek paketleme ile gerçekleştirilir. SPAD, AlN taşıyıcı alt tabakaya yapıştırılır ve termoelektrik soğutucuya (TEC) dikey olarak yerleştirilir ve sıcaklık kontrolü bir termistör aracılığıyla sağlanır. Çok modlu optik fiberler, verimli bir bağlantı sağlamak için SPAD merkeziyle hassas bir şekilde hizalanır.

4. Performans kalibrasyonu. Kalibrasyon, 785 nm pikosaniye darbeli lazer diyot (100 kHz) ve zaman-dijital dönüştürücü (TDC, 10 ps çözünürlük) kullanılarak gerçekleştirildi.

Özet

SPAD yapısının (kalın bağlantı, arkadan aydınlatmalı, katkılama telafisi) optimize edilmesi ve 50 V söndürme devresinin yenilenmesiyle, bu çalışma, silikon tabanlı tek foton dedektörünün kısmi diferansiyel denklem (PDE) değerini %84,4 gibi yeni bir seviyeye başarıyla taşımıştır. Ticari ürünlerle karşılaştırıldığında, kapsamlı performansı önemli ölçüde artırılmış ve kuantum iletişimi, kuantum hesaplama ve ultra yüksek verimlilik ve esnek çalışma gerektiren yüksek hassasiyetli görüntüleme gibi uygulamalar için pratik çözümler sunulmuştur. Bu çalışma, silikon tabanlı dedektörlerin daha da geliştirilmesi için sağlam bir temel oluşturmuştur.tek foton dedektörüteknoloji.