El fotodetector d'un sol fotó ha superat el coll d'ampolla d'eficiència del 80%

Fotodetector d'un sol fotóhan superat el coll d'ampolla d'eficiència del 80%

Fotó únicfotodetectors'utilitzen àmpliament en els camps de la fotònica quàntica i la imatge d'un sol fotó a causa dels seus avantatges compactes i de baix cost, però s'enfronten als següents colls d'ampolla tècnics.

Limitacions tècniques actuals

1. CMOS i SPAD de junció fina: Tot i que tenen una alta integració i un baix jitter de sincronització, la capa d'absorció és prima (uns pocs micròmetres) i l'EDP està limitada a la regió de l'infraroig proper, amb només un 32% a 850 nm.

2. SPAD de unió gruixuda: Presenta una capa d'absorció de desenes de micròmetres de gruix. Els productes comercials tenen una PDE d'aproximadament el 70% a 780 nm, però superar el 80% és extremadament difícil.

3. Limitacions del circuit de lectura: El SPAD de junció gruixuda requereix una tensió de sobrepolarització superior a 30 V per garantir una alta probabilitat d'allau. Fins i tot amb una tensió d'extinció de 68 V en circuits tradicionals, l'EDP només es pot augmentar fins al 75,1%.

Solució

Optimitza l'estructura semiconductora de l'SPAD. Disseny retroil·luminat: els fotons incidents decauen exponencialment en el silici. L'estructura retroil·luminada garanteix que la majoria dels fotons s'absorbeixin a la capa d'absorció i els electrons generats s'injectin a la regió d'allaus. Com que la taxa d'ionització dels electrons en el silici és més alta que la dels forats, la injecció d'electrons proporciona una major probabilitat d'allaus. Compensació del dopatge a la regió d'allaus: mitjançant el procés de difusió contínua del bor i el fòsfor, el dopatge superficial es compensa per concentrar el camp elèctric a la regió profunda amb menys defectes cristal·lins, reduint eficaçment el soroll com el DCR.

2. Circuit de lectura d'alt rendiment. Apagament d'alta amplitud de 50 V. Transició d'estat ràpida; Funcionament multimodal: combinant els senyals d'APAGA i REINICI del control FPGA, s'aconsegueix una commutació flexible entre el funcionament lliure (activació del senyal), la porta (accionament de la PORTA externa) i els modes híbrids.

3. Preparació i empaquetament del dispositiu. S'adopta el procés d'oblies SPAD, amb un encapsulat de papallona. L'SPAD s'uneix al substrat portador d'AlN i s'instal·la verticalment al refrigerador termoelèctric (TEC), i el control de la temperatura s'aconsegueix mitjançant un termistor. Les fibres òptiques multimode estan alineades amb precisió amb el centre de l'SPAD per aconseguir un acoblament eficient.

4. Calibratge del rendiment. El calibratge es va dur a terme utilitzant un díode làser pulsat de 785 nm de picosegons (100 kHz) i un convertidor digital de temps (TDC, resolució de 10 ps).

Resum

Mitjançant l'optimització de l'estructura SPAD (unió gruixuda, retroil·luminada, compensació de dopatge) i la innovació del circuit d'extinció de 50 V, aquest estudi ha portat aconseguit l'EDP del detector de fotó únic basat en silici a una nova alçada del 84,4%. En comparació amb els productes comercials, el seu rendiment integral s'ha millorat significativament, proporcionant solucions pràctiques per a aplicacions com la comunicació quàntica, la computació quàntica i les imatges d'alta sensibilitat que requereixen una eficiència ultraalta i un funcionament flexible. Aquest treball ha establert una base sòlida per al desenvolupament posterior de la tecnologia basada en silici.detector de fotó únictecnologia.