Еднофотонен фотодетекторса преодолели 80% пречка за ефективност
Еднофотоненфотодетекторсе използват широко в областта на квантовата фотоника и еднофотонното изобразяване поради своите компактни и нискобюджетни предимства, но са изправени пред следните технически недостатъци.
Текущи технически ограничения
1. CMOS и SPAD с тънки преходи: Въпреки че имат висока интеграция и ниско трептене на времето, абсорбционният слой е тънък (няколко микрометра), а PDE е ограничен в близката инфрачервена област, само с около 32% при 850 nm.
2. SPAD с дебело съединение: Той се отличава с абсорбционен слой с дебелина десетки микрометри. Търговските продукти имат PDE от приблизително 70% при 780 nm, но преминаването през 80% е изключително трудно.
3. Ограничения на веригата за отчитане: SPAD с дебели съединения изисква напрежение на свръхнапрежение над 30 V, за да се осигури висока вероятност за лавина. Дори при напрежение на гасене от 68 V в традиционните схеми, PDE може да се увеличи само до 75,1%.
Решение
Оптимизиране на полупроводниковата структура на SPAD. Дизайн с обратно осветяване: Падащите фотони се разпадат експоненциално в силиция. Структурата с обратно осветяване гарантира, че по-голямата част от фотоните се абсорбират в абсорбционния слой и генерираните електрони се инжектират в лавинната област. Тъй като скоростта на йонизация на електроните в силиция е по-висока от тази на дупките, инжектирането на електрони осигурява по-висока вероятност за лавина. Компенсация на легиране в лавинна област: Чрез използване на непрекъснатия процес на дифузия на бор и фосфор, плиткото легиране се компенсира, за да се концентрира електрическото поле в дълбоката област с по-малко кристални дефекти, като по този начин ефективно се намалява шумът, като например DCR.
2. Високопроизводителна схема за отчитане. 50V гасене с висока амплитуда. Бърз преход на състоянията; Мултимодална работа: Чрез комбиниране на FPGA управляващи сигнали QUENCHING и RESET се постига гъвкаво превключване между свободна работа (сигнален тригер), гейтиране (външно GATE управление) и хибридни режими.
3. Подготовка и опаковане на устройството. Използва се SPAD процес на производство на пластини с корпус тип „пеперуда“. SPAD е свързан към AlN носещата подложка и е монтиран вертикално върху термоелектрическия охладител (TEC), а контролът на температурата се постига чрез термистор. Многомодовите оптични влакна са прецизно подравнени с центъра на SPAD, за да се постигне ефективно свързване.
4. Калибриране на производителността. Калибрирането е извършено с помощта на 785 nm пикосекунден импулсен лазерен диод (100 kHz) и времево-цифров преобразувател (TDC, резолюция 10 ps).
Обобщение
Чрез оптимизиране на SPAD структурата (дебел преход, задно осветяване, компенсация на допинга) и иновиране на 50 V схемата за закаляване, това проучване успешно повиши парциалното разпределение на производните (PDE) на силициевия еднофотонен детектор до нова височина от 84,4%. В сравнение с търговските продукти, неговата цялостна производителност е значително подобрена, предоставяйки практични решения за приложения като квантова комуникация, квантови изчисления и високочувствително изобразяване, които изискват ултрависока ефективност и гъвкава работа. Тази работа е положила солидна основа за по-нататъшното развитие на силициевите детектори.еднофотонен детектортехнология.
Време на публикуване: 28 октомври 2025 г.