Tek fotonlu fotodedektör%80 verimlilik darboğazını aştılar
Tek fotonfotodedektörKompakt yapıları ve düşük maliyet avantajları nedeniyle kuantum fotoniği ve tek foton görüntüleme alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar, ancak aşağıdaki teknik darboğazlarla karşı karşıyadırlar.
Mevcut teknik sınırlamalar
1. CMOS ve ince bağlantılı SPAD: Yüksek entegrasyon ve düşük zamanlama titremesine sahip olmalarına rağmen, soğurma katmanı incedir (birkaç mikrometre) ve PDE, yakın kızılötesi bölgede sınırlıdır, 850 nm'de yalnızca yaklaşık %32'dir.
2. Kalın bağlantılı SPAD: Onlarca mikrometre kalınlığında bir soğurma katmanına sahiptir. Ticari ürünlerin 780 nm'de yaklaşık %70'lik bir PDE'si vardır, ancak %80'i aşmak son derece zordur.
3. Devre sınırlamalarını okuyun: Kalın bağlantılı SPAD, yüksek çığ olasılığını sağlamak için 30V'un üzerinde bir aşırı gerilim gerektirir. Geleneksel devrelerde 68V'luk bir söndürme gerilimiyle bile, PDE yalnızca %75,1'e kadar artırılabilir.
Çözüm
SPAD'ın yarı iletken yapısını optimize edin. Arkadan aydınlatmalı tasarım: Gelen fotonlar silisyumda üstel olarak bozunur. Arkadan aydınlatmalı yapı, fotonların çoğunun soğurma katmanında emilmesini ve üretilen elektronların çığ bölgesine enjekte edilmesini sağlar. Silisyumdaki elektronların iyonlaşma oranı deliklerden daha yüksek olduğundan, elektron enjeksiyonu daha yüksek bir çığ olasılığı sağlar. Katkı maddesiyle telafi edilmiş çığ bölgesi: Bor ve fosforun sürekli difüzyon işlemi kullanılarak, sığ katkı maddesi telafi edilerek elektrik alanı daha az kristal kusuru olan 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 kontrolüyle SÖNDÜRME ve SIFIRLAMA sinyallerinin birleştirilmesiyle, serbest çalışma (sinyal tetikleme), kapılama (harici KAPI sürücüsü) ve hibrit modlar arasında esnek geçiş sağlanır.
3. Cihaz hazırlama ve paketleme. Kelebek paketleme yöntemiyle SPAD gofret işlemi benimsenmiştir. SPAD, AlN taşıyıcı alt tabakaya yapıştırılır ve termoelektrik soğutucu (TEC) üzerine dikey olarak yerleştirilir; sıcaklık kontrolü ise bir termistör aracılığıyla sağlanır. Çok modlu optik fiberler, verimli bir bağlantı sağlamak için SPAD merkezine 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 yapısını (kalın bağlantı, arkadan aydınlatmalı, katkılama telafisi) optimize ederek ve 50 V söndürme devresini yenileyerek, bu çalışma silikon tabanlı tek foton dedektörünün PDE'sini %84,4 gibi yeni bir seviyeye başarıyla taşıdı. Ticari ürünlerle karşılaştırıldığında, kapsamlı performansı önemli ölçüde artırılarak, ultra yüksek verimlilik ve esnek çalışma gerektiren kuantum iletişimi, kuantum hesaplama ve 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.
Yayın tarihi: 28 Ekim 2025