Фотодетекторы одиночных фотонов преодолели ограничение в 80%-ную эффективность.

Фотодетектор одиночных фотоновПреодолели «узкое место» в 80% эффективности.

Одиночный фотонфотодетекторБлагодаря своей компактности и низкой стоимости, они широко используются в областях квантовой фотоники и визуализации одиночных фотонов, однако сталкиваются со следующими техническими проблемами.

Текущие технические ограничения

1. CMOS-технология и тонкопереходные SPAD-чипы: Несмотря на высокую степень интеграции и низкий временной джиттер, поглощающий слой тонкий (несколько микрометров), а эффективность преобразования энергии ограничена в ближнем инфракрасном диапазоне, составляя всего около 32% на длине волны 850 нм.

2. SPAD с толстым переходом: Он имеет поглощающий слой толщиной в десятки микрометров. Коммерческие продукты имеют КПД около 70% на длине волны 780 нм, но достижение 80% крайне затруднительно.

3. Ограничения схемы считывания: для SPAD с толстым переходом требуется напряжение смещения более 30 В для обеспечения высокой вероятности лавинного пробоя. Даже при напряжении гашения 68 В в традиционных схемах вероятность лавинного пробоя может быть увеличена только до 75,1%.

Решение

Оптимизация полупроводниковой структуры SPAD. Конструкция с обратной подсветкой: Падающие фотоны экспоненциально затухают в кремнии. Структура с обратной подсветкой обеспечивает поглощение большей части фотонов в поглощающем слое, а генерируемые электроны инжектируются в лавинную область. Поскольку скорость ионизации электронов в кремнии выше, чем у дырок, инжекция электронов обеспечивает более высокую вероятность лавинного пробоя. Компенсация легирования в лавинной области: Используя процесс непрерывной диффузии бора и фосфора, компенсируется неглубокое легирование для концентрации электрического поля в глубокой области с меньшим количеством кристаллических дефектов, что эффективно снижает шум, такой как DCR.

2. Высокопроизводительная схема считывания. Высокоамплитудное гашение 50 В. Быстрый переход между состояниями; Многорежимная работа: за счет объединения сигналов управления FPGA QUENCHING и RESET достигается гибкое переключение между режимами работы без управления (запуск сигнала), управления (внешнее управление затвором) и гибридным режимом.

3. Подготовка и упаковка устройства. Используется технология изготовления SPAD-чипов с корпусом типа «бабочка». SPAD-чип припаивается к подложке из нитрида алюминия (AlN) и устанавливается вертикально на термоэлектрический охладитель (TEC), а контроль температуры осуществляется с помощью термистора. Многомодовые оптические волокна точно выравниваются относительно центра SPAD-чипа для обеспечения эффективного сопряжения.

4. Калибровка характеристик. Калибровка проводилась с использованием пикосекундного импульсного лазерного диода с длиной волны 785 нм (100 кГц) и цифрового преобразователя времени (TDC, разрешение 10 пс).

Краткое содержание

Благодаря оптимизации структуры SPAD (толстый переход, обратная подсветка, компенсация легирования) и инновационной схеме гашения 50 В, в данном исследовании удалось успешно повысить КПД кремниевого однофотонного детектора до нового уровня в 84,4%. По сравнению с коммерческими продуктами, его комплексные характеристики значительно улучшены, что обеспечивает практические решения для таких применений, как квантовая связь, квантовые вычисления и высокочувствительная визуализация, требующие сверхвысокой эффективности и гибкой работы. Эта работа заложила прочную основу для дальнейшего развития кремниевых детекторов.детектор одиночных фотоновтехнологии.