O fotodetector dun só fotón superou o obstáculo de eficiencia do 80 %

Fotodetector dun só fotónromperon o obstáculo de eficiencia do 80 %

Fotón únicofotodetectorúsanse amplamente nos campos da fotónica cuántica e a imaxe dun só fotón debido ás súas vantaxes compactas e de baixo custo, pero enfróntanse aos seguintes obstáculos técnicos.

Limitacións técnicas actuais

1. CMOS e SPAD de unión fina: Aínda que teñen unha alta integración e unha baixa fluctuación temporal, a capa de absorción é delgada (uns poucos micrómetros) e a PDE está limitada na rexión do infravermello próximo, cun só 32 % a 850 nm.

2. SPAD de unión grosa: Presenta unha capa de absorción de decenas de micrómetros de espesor. Os produtos comerciais teñen unha PDE de aproximadamente o 70 % a 780 nm, pero superar o 80 % é extremadamente difícil.

3. Limitacións do circuíto de lectura: o SPAD de unión grosa require unha tensión de sobrepolarización superior a 30 V para garantir unha alta probabilidade de avalancha. Mesmo cunha tensión de extinción de 68 V en circuítos tradicionais, a PDE só se pode aumentar ata o 75,1 %.

Solución

Optimiza a estrutura semicondutora do SPAD. Deseño retroiluminado: os fotóns incidentes decaen exponencialmente no silicio. A estrutura retroiluminada garante que a maioría dos fotóns sexan absorbidos na capa de absorción e os electróns xerados sexan inxectados na rexión de avalanchas. Debido a que a taxa de ionización dos electróns no silicio é maior que a dos buratos, a inxección de electróns proporciona unha maior probabilidade de avalanchas. Rexión de avalanchas con compensación de dopaxe: mediante o uso do proceso de difusión continua de boro e fósforo, o dopaxe superficial compénsase para concentrar o campo eléctrico na rexión profunda con menos defectos cristalinos, o que reduce eficazmente o ruído como a DCR.

2. Circuíto de lectura de alto rendemento. Apagado de alta amplitude de 50 V. Transición de estado rápida; Funcionamento multimodal: ao combinar os sinais de APAGO e REINICIO do control FPGA, conséguese unha conmutación flexible entre o funcionamento libre (disparador de sinal), a porta (accionamento da porta externo) e os modos híbridos.

3. Preparación e empaquetado do dispositivo. Adóptase o proceso de obleas SPAD, cun encapsulado de bolboreta. O SPAD únese ao substrato portador de AlN e instálase verticalmente no arrefriador termoeléctrico (TEC), e o control da temperatura conséguese mediante un termistor. As fibras ópticas multimodo están aliñadas con precisión co centro do SPAD para lograr un acoplamento eficiente.

4. Calibración do rendemento. A calibración realizouse empregando un díodo láser pulsado de 785 nm de picasegundos (100 kHz) e un conversor dixital de tempo (TDC, resolución de 10 ps).

Resumo

Ao optimizar a estrutura SPAD (unión grosa, retroiluminada, compensación de dopaxe) e innovar o circuíto de extinción de 50 V, este estudo elevou con éxito a PDE do detector de fotón único baseado en silicio a unha nova altura do 84,4 %. En comparación cos produtos comerciais, o seu rendemento integral mellorou significativamente, proporcionando solucións prácticas para aplicacións como a comunicación cuántica, a computación cuántica e a imaxe de alta sensibilidade que requiren unha eficiencia ultraalta e un funcionamento flexible. Este traballo sentou unha base sólida para o desenvolvemento posterior de detectores baseados en silicio.detector de fotón únicotecnoloxía.