Однофотонный фотодетекторпреодолели узкое место в 80% эффективности
Однофотонныйфотодетекторшироко используются в областях квантовой фотоники и однофотонной визуализации благодаря своей компактности и низкой стоимости, но они сталкиваются со следующими техническими проблемами.
Текущие технические ограничения
1. КМОП и тонкопереходные SPAD: несмотря на высокую степень интеграции и низкий уровень временного джиттера, поглощающий слой тонкий (несколько микрометров), а PDE ограничен в ближней инфракрасной области, составляя всего около 32% при 850 нм.
2. SPAD с толстым переходом: толщина поглощающего слоя составляет десятки микрометров. У коммерческих продуктов PDE составляет около 70% на длине волны 780 нм, но преодолеть 80% крайне сложно.
3. Ограничения схемы считывания: для SPAD с толстым спаем требуется напряжение смещения более 30 В для обеспечения высокой вероятности лавинного пробоя. Даже при напряжении гашения 68 В в традиционных схемах коэффициент PDE может быть увеличен 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 область лавинного пробоя. Поскольку скорость ионизации электронов в кремнии выше, чем у дырок, инжекция электронов повышает вероятность лавинного пробоя. Компенсация легирования в области лавинного пробоя: благодаря непрерывному процессу диффузии бора и фосфора, поверхностное легирование компенсируется, концентрируя электрическое поле 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 состояний. Многомодовая работа: путем объединения сигналов управления ПЛИС ГАШЕНИЕ и СБРОС, достигается гибкое переключение между свободным режимом работы (триггер сигнала), стробированием (внешний драйвер GATE) и гибридным режимом.
3. Подготовка и упаковка устройства. Используется технология изготовления пластин SPAD с корпусом типа «бабочка». SPAD приклеивается к подложке из нитрида алюминия и вертикально устанавливается на термоэлектрическом охладителе (TEC). Контроль температуры осуществляется с помощью термистора. Многомодовые оптические волокна точно совмещены с центром SPAD для обеспечения эффективного сопряжения.
4. Калибровка производительности. Калибровка проводилась с использованием пикосекундного импульсного лазерного диода с длиной волны 785 нм (100 кГц) и время-цифрового преобразователя (TDC, разрешение 10 пс).
Краткое содержание
Благодаря оптимизации структуры SPAD (толстый переход, задняя подсветка, компенсация легирования) и инновационной схеме гашения 50 В, данное исследование успешно подняло PDE кремниевого однофотонного детектора до нового уровня 84,4%. По сравнению с коммерческими продуктами, его комплексные характеристики были значительно улучшены, что обеспечивает практические решения для таких приложений, как квантовая связь, квантовые вычисления и высокочувствительная визуализация, требующих сверхвысокой эффективности и гибкости. Эта работа заложила прочную основу для дальнейшего развития кремниевых детекторов.детектор одиночных фотоновтехнологии.
Время публикации: 28 октября 2025 г.