Ο φωτοανιχνευτής ενός φωτονίου έχει ξεπεράσει το σημείο συμφόρησης της απόδοσης 80%

Φωτοανιχνευτής ενός φωτονίουέχουν ξεπεράσει το σημείο συμφόρησης της αποδοτικότητας του 80%

Μονοφωτονίουφωτοανιχνευτήςχρησιμοποιούνται ευρέως στους τομείς της κβαντικής φωτονικής και της απεικόνισης ενός φωτονίου λόγω των πλεονεκτημάτων τους ως προς το συμπαγές και το χαμηλό κόστος, αλλά αντιμετωπίζουν τα ακόλουθα τεχνικά εμπόδια.

Τρέχοντες τεχνικοί περιορισμοί

1.CMOS και SPAD λεπτής σύνδεσης: Αν και έχουν υψηλή ολοκλήρωση και χαμηλό χρονικό τρεμούλιασμα, το στρώμα απορρόφησης είναι λεπτό (μερικά μικρόμετρα) και η ΜΔΕ είναι περιορισμένη στην περιοχή εγγύς υπέρυθρου, με μόνο περίπου 32% στα 850 nm.

2. SPAD με παχύ σύνδεσμο: Διαθέτει ένα στρώμα απορρόφησης πάχους δεκάδων μικρομέτρων. Τα εμπορικά προϊόντα έχουν PDE περίπου 70% στα 780 nm, αλλά η διάσπαση του 80% είναι εξαιρετικά δύσκολη.

3. Περιορισμοί κυκλώματος ανάγνωσης: Το SPAD με παχύ σύνδεσμο απαιτεί τάση υπερπόλωσης άνω των 30V για να διασφαλιστεί υψηλή πιθανότητα χιονοστιβάδας. Ακόμα και με τάση απόσβεσης 68V σε παραδοσιακά κυκλώματα, η PDE μπορεί να αυξηθεί μόνο στο 75,1%.

Διάλυμα

Βελτιστοποίηση της ημιαγωγικής δομής του SPAD. Σχεδιασμός με οπίσθιο φωτισμό: Τα προσπίπτοντα φωτόνια αποσυντίθενται εκθετικά στο πυρίτιο. Η δομή με οπίσθιο φωτισμό διασφαλίζει ότι η πλειονότητα των φωτονίων απορροφάται στο στρώμα απορρόφησης και τα παραγόμενα ηλεκτρόνια εγχέονται στην περιοχή της χιονοστιβάδας. Επειδή ο ρυθμός ιονισμού των ηλεκτρονίων στο πυρίτιο είναι υψηλότερος από αυτόν των οπών, η έγχυση ηλεκτρονίων παρέχει μεγαλύτερη πιθανότητα χιονοστιβάδας. Περιοχή χιονοστιβάδας με αντιστάθμιση πρόσμιξης: Χρησιμοποιώντας τη διαδικασία συνεχούς διάχυσης βορίου και φωσφόρου, η ρηχή πρόσμιξη αντισταθμίζεται για να συγκεντρωθεί το ηλεκτρικό πεδίο στην βαθιά περιοχή με λιγότερα κρυσταλλικά ελαττώματα, μειώνοντας αποτελεσματικά τον θόρυβο όπως το DCR.

2. Κύκλωμα ανάγνωσης υψηλής απόδοσης. Απόσβεση υψηλού πλάτους 50V. Γρήγορη μετάβαση κατάστασης. Πολυτροπική λειτουργία: Συνδυάζοντας τα σήματα QUENCHING και RESET ελέγχου FPGA, επιτυγχάνεται ευέλικτη εναλλαγή μεταξύ ελεύθερης λειτουργίας (ενεργοποίηση σήματος), πύλης (εξωτερική μονάδα GATE) και υβριδικών λειτουργιών.

3. Προετοιμασία και συσκευασία της συσκευής. Υιοθετείται η διαδικασία πλακιδίων SPAD, με συσκευασία τύπου πεταλούδας. Το SPAD συνδέεται με το υπόστρωμα φορέα AlN και εγκαθίσταται κάθετα στον θερμοηλεκτρικό ψύκτη (TEC), και ο έλεγχος της θερμοκρασίας επιτυγχάνεται μέσω ενός θερμίστορ. Οι πολυτροπικές οπτικές ίνες ευθυγραμμίζονται με ακρίβεια με το κέντρο SPAD για να επιτευχθεί αποτελεσματική σύζευξη.

4. Βαθμονόμηση απόδοσης. Η βαθμονόμηση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μια δίοδο παλμικού λέιζερ 785 nm πικοδευτερολέπτων (100 kHz) και έναν μετατροπέα χρόνου-ψηφίου (TDC, ανάλυση 10 ps).

Περίληψη

Βελτιστοποιώντας τη δομή SPAD (παχιά σύνδεση, οπίσθιο φωτισμό, αντιστάθμιση πρόσμιξης) και καινοτομώντας στο κύκλωμα απόσβεσης 50 V, αυτή η μελέτη ώθησε με επιτυχία την PDE του ανιχνευτή μονοφωτονίου με βάση το πυρίτιο σε νέο ύψος 84,4%. Σε σύγκριση με τα εμπορικά προϊόντα, η συνολική του απόδοση έχει βελτιωθεί σημαντικά, παρέχοντας πρακτικές λύσεις για εφαρμογές όπως η κβαντική επικοινωνία, ο κβαντικός υπολογισμός και η απεικόνιση υψηλής ευαισθησίας που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή απόδοση και ευέλικτη λειτουργία. Αυτή η εργασία έχει θέσει μια σταθερή βάση για την περαιτέρω ανάπτυξη των ανιχνευτών με βάση το πυρίτιο.ανιχνευτής ενός φωτονίουτεχνολογία.