Enkeltfoton fotodetektorhar brudt igennem flaskehalsen på 80% effektivitet
Enkeltfotonfotodetektorer meget udbredt inden for kvantefotonik og enkeltfotonbilleddannelse på grund af deres kompakte og lave omkostninger, men de står over for følgende tekniske flaskehalse.
Nuværende tekniske begrænsninger
1. CMOS og tyndforbindelses-SPAD: Selvom de har høj integration og lav timing-jitter, er absorptionslaget tyndt (et par mikrometer), og PDE'en er begrænset i det nær-infrarøde område, med kun omkring 32% ved 850 nm.
2. Thick-junction SPAD: Den har et absorptionslag, der er flere ti mikrometer tykt. Kommercielle produkter har en PDE på cirka 70 % ved 780 nm, men det er ekstremt udfordrende at bryde igennem 80 %.
3. Aflæs kredsløbsbegrænsninger: Thick-junction SPAD kræver en overbias-spænding på over 30 V for at sikre en høj lavinesandsynlighed. Selv med en quenching-spænding på 68 V i traditionelle kredsløb kan PDE'en kun øges til 75,1 %.
Løsning
Optimer SPAD's halvlederstruktur. Bagbelyst design: Indfaldende fotoner henfalder eksponentielt i silicium. Den bagbelyste struktur sikrer, at størstedelen af fotonerne absorberes i absorptionslaget, og de genererede elektroner injiceres i lavineområdet. Fordi ioniseringshastigheden for elektroner i silicium er højere end for huller, giver elektroninjektion en højere sandsynlighed for lavine. Dopingkompensation lavineområde: Ved at bruge den kontinuerlige diffusionsproces af bor og fosfor kompenseres den overfladiske doping for at koncentrere det elektriske felt i det dybe område med færre krystaldefekter, hvilket effektivt reducerer støj såsom DCR.
2. Højtydende udlæsningskredsløb. 50V højamplitude-quenching. Hurtig tilstandsovergang; Multimodal drift: Ved at kombinere FPGA-styringssignalerne QUENCHING og RESET opnås fleksibel skift mellem fri drift (signaltrigger), gating (ekstern GATE-drev) og hybridtilstande.
3. Forberedelse og pakning af enheden. SPAD-waferprocessen anvendes med en butterfly-pakke. SPAD'en er bundet til AlN-bærersubstratet og installeret vertikalt på den termoelektriske køler (TEC), og temperaturkontrollen opnås via en termistor. Multimode optiske fibre er præcist justeret med SPAD'ens centrum for at opnå effektiv kobling.
4. Kalibrering af ydeevne. Kalibreringen blev udført ved hjælp af en 785 nm picosekunder pulseret laserdiode (100 kHz) og en tid-digital konverter (TDC, 10 ps opløsning).
Oversigt
Ved at optimere SPAD-strukturen (thick junction, back-illuminated, doping compensation) og innovere 50 V quenching-kredsløbet, har denne undersøgelse med succes øget PDE'en for den siliciumbaserede enkeltfotondetektor til en ny højde på 84,4%. Sammenlignet med kommercielle produkter er dens omfattende ydeevne blevet betydeligt forbedret, hvilket giver praktiske løsninger til applikationer som kvantekommunikation, kvanteberegning og højfølsom billeddannelse, der kræver ultrahøj effektivitet og fleksibel drift. Dette arbejde har lagt et solidt fundament for videreudvikling af siliciumbaserede ...enkeltfoton-detektorteknologi.
Opslagstidspunkt: 28. oktober 2025