Једнофотонски фотодетекторпробили су уско грло ефикасности од 80%
ЈеднофотонскофотодетекторШироко се користе у областима квантне фотонике и снимања једнофотона због својих компактних и јефтиних предности, али се суочавају са следећим техничким уским грлима.
Тренутна техничка ограничења
1. CMOS и SPAD са танким спојем: Иако имају високу интеграцију и ниско временско подрхтавање, апсорпциони слој је танак (неколико микрометара), а PDE је ограничен у блиском инфрацрвеном подручју, са само око 32% на 850 nm.
2. SPAD са дебелим спојем: Има апсорпциони слој дебљине десетине микрометара. Комерцијални производи имају PDE од приближно 70% на 780 nm, али је пробијање преко 80% изузетно изазовно.
3. Ограничења кола за очитавање: SPAD са дебелим спојем захтева напон пренапона од преко 30 V како би се осигурала велика вероватноћа лавине. Чак и са напоном гашења од 68 V у традиционалним колима, PDE се може повећати само на 75,1%.
Решење
Оптимизујте полупроводничку структуру SPAD-а. Дизајн са позадинским осветљењем: Упадни фотони експоненцијално опадају у силицијуму. Структура са позадинским осветљењем осигурава да се већина фотона апсорбује у апсорпционом слоју, а генерисани електрони се убризгавају у област лавине. Пошто је брзина јонизације електрона у силицијуму већа од брзине јонизације рупа, убризгавање електрона пружа већу вероватноћу лавине. Компензација допирања у области лавине: Коришћењем континуираног процеса дифузије бора и фосфора, плитко допирање се компензује како би се електрично поље концентрисало у дубокој области са мање кристалних дефеката, ефикасно смањујући шум као што је DCR.
2. Коло за очитавање високих перформанси. Гашење од 50V високе амплитуде. Брза транзиција стања; Мултимодални рад: Комбиновањем FPGA контролних сигнала ГАШЕЊА и РЕСЕТОВАЊА, постиже се флексибилно пребацивање између слободног рада (окидач сигнала), гејтовања (спољни GATE погон) и хибридног режима.
3. Припрема и паковање уређаја. Усвојен је SPAD процес израде плочица, са лептир паковањем. SPAD је везан за AlN носач и вертикално инсталиран на термоелектрични хладњак (TEC), а контрола температуре се постиже помоћу термистора. Мултимодна оптичка влакна су прецизно поравната са центром SPAD-а како би се постигло ефикасно спрезање.
4. Калибрација перформанси. Калибрација је извршена коришћењем пикосекундне импулсне ласерске диоде од 785 nm (100 kHz) и временски-дигиталног конвертора (TDC, резолуција 10 ps).
Резиме
Оптимизацијом SPAD структуре (дебели спој, позадинско осветљење, компензација допирања) и иновирањем кола за гашење од 50 V, ова студија је успешно подигла парцијалну диференцијалну равнотежу (PDE) једнофотонског детектора на бази силицијума на нову висину од 84,4%. У поређењу са комерцијалним производима, његове свеобухватне перформансе су значајно побољшане, пружајући практична решења за примене као што су квантна комуникација, квантно рачунарство и снимање високе осетљивости које захтевају ултра високу ефикасност и флексибилан рад. Овај рад је поставио солидну основу за даљи развој детектора на бази силицијума.једнофотонски детектортехнологија.
Време објаве: 28. октобар 2025.