Tək fotonlu fotodetektor 80% effektivlik darboğazını aşdı

Tək fotonlu fotodetektor80% səmərəlilik darboğazını aşdılar

Tək fotonfotodetektoryığcam və ucuz üstünlüklərinə görə kvant fotonikası və tək foton təsviri sahələrində geniş istifadə olunur, lakin aşağıdakı texniki darboğazlarla qarşılaşırlar.

Mövcud texniki məhdudiyyətlər

1.CMOS və nazik qovşaq SPAD: Onların yüksək inteqrasiya və aşağı vaxt titrəməsinə baxmayaraq, udma təbəqəsi nazikdir (bir neçə mikrometr) və PDE yaxın infraqırmızı bölgədə məhduddur, 850 nm-də yalnız təxminən 32%.

2. Qalın qovşaq SPAD: O, onlarla mikrometr qalınlığında udma qatına malikdir. Ticarət məhsulları 780 nm-də təxminən 70% PDE-yə malikdir, lakin 80% -i qırmaq olduqca çətindir.

3. Dövrə məhdudiyyətlərini oxuyun: Qalın qovşaq SPAD yüksək uçqun ehtimalını təmin etmək üçün 30V-dən yuxarı həddindən artıq gərginlik tələb edir. Ənənəvi sxemlərdə 68V söndürmə gərginliyi ilə belə, PDE yalnız 75,1% -ə qədər artırıla bilər.

Həll

SPAD-ın yarımkeçirici strukturunu optimallaşdırın. Arxadan işıqlandırılan dizayn: Hadisə fotonları silisiumda eksponent olaraq çürüyür. Arxadan işıqlandırılan struktur fotonların əksəriyyətinin udma təbəqəsində udulmasını və yaranan elektronların uçqun bölgəsinə vurulmasını təmin edir. Silikondakı elektronların ionlaşma dərəcəsi dəliklərdən daha yüksək olduğundan, elektron inyeksiya uçqunun daha yüksək ehtimalını təmin edir. Dopinq kompensasiyası uçqun bölgəsi: Bor və fosforun davamlı diffuziya prosesindən istifadə edərək, dayaz dopinq, elektrik sahəsini daha az kristal qüsurları ilə dərin bölgədə cəmləşdirmək üçün kompensasiya edilir və DCR kimi səs-küyü effektiv şəkildə azaldır.

2. Yüksək performanslı oxuma sxemi. 50V yüksək amplituda söndürmə Sürətli vəziyyətə keçid; Multimodal əməliyyat: FPGA nəzarəti QUENCHING və RESET siqnallarını birləşdirərək, sərbəst əməliyyat (siqnal tetiğeri), qapı (xarici GATE sürücüsü) və hibrid rejimləri arasında çevik keçid əldə edilir.

3. Cihazın hazırlanması və qablaşdırılması. Kəpənək paketi ilə SPAD gofret prosesi qəbul edilir. SPAD AlN daşıyıcı substrata bağlanır və termoelektrik soyuducuya (TEC) şaquli şəkildə quraşdırılır və temperaturun idarə edilməsi bir termistor vasitəsilə həyata keçirilir. Çox rejimli optik liflər səmərəli birləşməyə nail olmaq üçün SPAD mərkəzi ilə dəqiq şəkildə uyğunlaşdırılıb.

4. Performansın kalibrlənməsi. Kalibrləmə 785 nm pikosaniyə impulslu lazer diodundan (100 kHz) və zaman-rəqəmsal çeviricidən (TDC, 10 ps ayırdetmə) istifadə edilərək həyata keçirilmişdir.

Xülasə

SPAD strukturunu optimallaşdırmaqla (qalın birləşmə, arxa işıqlı, dopinq kompensasiyası) və 50 V söndürmə dövrəsini yeniləşdirməklə, bu tədqiqat silikon əsaslı tək foton detektorunun PDE-ni uğurla 84,4% yeni yüksəkliyə itələdi. Kommersiya məhsulları ilə müqayisədə onun hərtərəfli performansı əhəmiyyətli dərəcədə artırılıb və ultra yüksək səmərəlilik və çevik əməliyyat tələb edən kvant rabitəsi, kvant hesablamaları və yüksək həssas görüntüləmə kimi tətbiqlər üçün praktik həllər təqdim edib. Bu iş silikon əsaslı məhsulun gələcək inkişafı üçün möhkəm zəmin yaratmışdırtək foton detektorutexnologiya.