Enkelfoton-fotodetektor het deur die 80%-doeltreffendheidsknelpunt gebreek

Enkelfoton-fotodetektorhet deur die 80% doeltreffendheidsbottelnek gebreek

Enkelfotonfotodetektorword wyd gebruik in die velde van kwantumfotonika en enkelfotonbeelding as gevolg van hul kompakte en laekostevoordele, maar hulle word gekonfronteer met die volgende tegniese knelpunte.

Huidige tegniese beperkings

1. CMOS en dun-aansluiting SPAD: Alhoewel hulle hoë integrasie en lae tydsberekening-jitter het, is die absorpsielaag dun (’n paar mikrometer), en die PDE is beperk in die nabye-infrarooi gebied, met slegs ongeveer 32% by 850 nm.

2. Dik-aansluiting SPAD: Dit beskik oor 'n absorpsielaag tientalle mikrometer dik. Kommersiële produkte het 'n PDE van ongeveer 70% teen 780 nm, maar om deur 80% te breek is uiters uitdagend.

3. Lees stroombaanbeperkings uit: Dik-aansluiting SPAD benodig 'n oorspanning van meer as 30V om 'n hoë sneeustortingwaarskynlikheid te verseker. Selfs met 'n blusspanning van 68V in tradisionele stroombane, kan die PDE slegs tot 75.1% verhoog word.

Oplossing

Optimaliseer die halfgeleierstruktuur van SPAD. Agterbeligte ontwerp: Invallende fotone verval eksponensieel in silikon. Die agterbeligte struktuur verseker dat die meerderheid fotone in die absorpsielaag geabsorbeer word, en die gegenereerde elektrone word in die lawinegebied ingespuit. Omdat die ionisasietempo van elektrone in silikon hoër is as dié van gate, bied elektroninspuiting 'n hoër waarskynlikheid van 'n lawine. Doteringskompensasie-lawinegebied: Deur die kontinue diffusieproses van boor en fosfor te gebruik, word die vlak dotering gekompenseer om die elektriese veld in die diep gebied te konsentreer met minder kristaldefekte, wat geraas soos DCR effektief verminder.

2. Hoëprestasie-uitleeskring. 50V hoë amplitude-blus Vinnige toestandoorgang; Multimodale werking: Deur FPGA-beheer-blus- en RESET-seine te kombineer, word buigsame oorskakeling tussen vrye werking (sein-sneller), poortbeheer (eksterne GATE-aandrywing) en hibriede modusse bereik.

3. Toestelvoorbereiding en verpakking. Die SPAD-waferproses word toegepas, met 'n vlinderpak. Die SPAD word aan die AlN-draersubstraat gebind en vertikaal op die termo-elektriese verkoeler (TEC) geïnstalleer, en temperatuurbeheer word deur 'n termistor bereik. Multimodus optiese vesels word presies in lyn gebring met die SPAD-middelpunt om doeltreffende koppeling te verkry.

4. Prestasiekalibrasie. Kalibrasie is uitgevoer met behulp van 'n 785 nm pikosekonde gepulseerde laserdiode (100 kHz) en 'n tyd-digitale omskakelaar (BDP, 10 ps resolusie).

Opsomming

Deur die SPAD-struktuur (dik aansluiting, terugbeligting, doteringskompensasie) te optimaliseer en die 50 V-bluskring te innover, het hierdie studie die PDE van die silikon-gebaseerde enkelfotondetektor suksesvol tot 'n nuwe hoogte van 84.4% gestoot. In vergelyking met kommersiële produkte, is die omvattende werkverrigting daarvan aansienlik verbeter, wat praktiese oplossings bied vir toepassings soos kwantumkommunikasie, kwantumrekenaars en hoësensitiwiteitsbeelding wat ultrahoë doeltreffendheid en buigsame werking vereis. Hierdie werk het 'n stewige fondament gelê vir die verdere ontwikkeling van silikon-gebaseerde.enkelfoton-detektortegnologie.