Fotodetektorët me një foton të vetëm kanë thyer ngushticën e efikasitetit prej 80%.

Fotodetektor me një foton të vetëmkanë kapërcyer pengesën prej 80% të efikasitetit

Një foton i vetëmfotodetektorpërdoren gjerësisht në fushat e fotonikës kuantike dhe imazherisë me një foton të vetëm për shkak të avantazheve të tyre kompakte dhe me kosto të ulët, por ato përballen me pengesat teknike të mëposhtme.

Kufizimet aktuale teknike

1. CMOS dhe SPAD me kryqëzim të hollë: Edhe pse kanë integrim të lartë dhe luhatje të ulët kohore, shtresa e thithjes është e hollë (disa mikrometra) dhe PDE është e kufizuar në rajonin e afërt-infra të kuqe, me vetëm rreth 32% në 850 nm.

2. SPAD me kryqëzim të trashë: Ai përmban një shtresë thithëse dhjetëra mikrometra të trashë. Produktet komerciale kanë një PDE prej afërsisht 70% në 780 nm, por depërtimi në 80% është jashtëzakonisht sfidues.

3. Kufizimet e qarkut të leximit: SPAD me kryqëzim të trashë kërkon një tension mbi-polarizimi mbi 30V për të siguruar një probabilitet të lartë të një orteku. Edhe me një tension shuarjeje prej 68V në qarqet tradicionale, PDE mund të rritet vetëm në 75.1%.

Zgjidhje

Optimizoni strukturën gjysmëpërçuese të SPAD-it. Dizajn me ndriçim prapa: Fotonet incidente zbërthehen në mënyrë eksponenciale në silikon. Struktura me ndriçim prapa siguron që shumica e fotoneve të absorbohen në shtresën e absorbimit dhe elektronet e gjeneruara të injektohen në rajonin e ortekut. Meqenëse shkalla e jonizimit të elektroneve në silikon është më e lartë se ajo e vrimave, injektimi i elektroneve ofron një probabilitet më të lartë të ortekut. Rajoni i ortekut me kompensim dopingu: Duke përdorur procesin e difuzionit të vazhdueshëm të borit dhe fosforit, dopingu sipërfaqësor kompensohet për të përqendruar fushën elektrike në rajonin e thellë me më pak defekte kristalore, duke zvogëluar në mënyrë efektive zhurmën siç është DCR.

2. Qark leximi me performancë të lartë. Shuarje me amplitudë të lartë 50V Kalim i shpejtë i gjendjes; Funksionim multimodal: Duke kombinuar sinjalet QUENCHING dhe RESET të kontrollit FPGA, arrihet ndërrimi fleksibël midis funksionimit të lirë (aktivizimi i sinjalit), gating (ngasja e jashtme GATE) dhe modaliteteve hibride.

3. Përgatitja dhe paketimi i pajisjes. Përdoret procesi i pllakës SPAD, me një paketim flutur. SPAD lidhet me substratin bartës AlN dhe instalohet vertikalisht në ftohësin termoelektrik (TEC), dhe kontrolli i temperaturës arrihet përmes një termistori. Fibrat optike shumëmodëshe janë të vendosura saktësisht në qendër të SPAD për të arritur çiftëzim efikas.

4. Kalibrimi i performancës. Kalibrimi u krye duke përdorur një diodë lazeri pulsuese pikosekondash 785 nm (100 kHz) dhe një konvertues kohor-dixhital (TDC, rezolucion 10 ps).

Përmbledhje

Duke optimizuar strukturën SPAD (nyjëzim i trashë, ndriçim i pasmë, kompensim dopingu) dhe duke inovuar qarkun e shuarjes 50 V, ky studim e çoi me sukses PDE-në e detektorit me foton të vetëm me bazë silikoni në një lartësi të re prej 84.4%. Krahasuar me produktet komerciale, performanca e tij gjithëpërfshirëse është përmirësuar ndjeshëm, duke ofruar zgjidhje praktike për aplikime të tilla si komunikimi kuantik, informatika kuantike dhe imazheria me ndjeshmëri të lartë që kërkojnë efikasitet ultra të lartë dhe funksionim fleksibël. Kjo punë ka hedhur një themel të fortë për zhvillimin e mëtejshëm të detektorit me bazë silikoni.detektor me një foton të vetëmteknologji.