Eenzelphotonen-Fotodetektoren hunn den 80% Effizienz-Engpässe duerchbrach

Eenzelphotonen-Fotodetektorhunn den 80% Effizienz-Engpass duerchbrach

EenzelphotonFotodetektorgi wéinst hire kompakten a käschtegënschtege Virdeeler wäit verbreet an de Beräicher vun der Quantephotonik an der Eenzelphotonen-Imaging benotzt, awer si sinn mat de folgende techneschen Engpässe konfrontéiert.

Aktuell technesch Aschränkungen

1. CMOS an Thin-Junction SPAD: Obwuel si eng héich Integratioun an e niddregen Timing-Jitter hunn, ass d'Absorptiounsschicht dënn (e puer Mikrometer), an d'PDE ass am noen Infraroutberäich limitéiert, mat nëmmen ongeféier 32% bei 850 nm.

2. Déckverbindungs-SPAD: Et huet eng Absorptiounsschicht, déi zéng Mikrometer déck ass. Kommerziell Produkter hunn eng PDE vun ongeféier 70% bei 780 nm, awer et ass extrem schwéier, duerch 80% ze kommen.

3. Ausliesen vun de Schaltungslimiten: Déckverbindungs-SPAD erfuerdert eng Iwwerspannung vu méi wéi 30 V fir eng héich Lawinenwahrscheinlechkeet ze garantéieren. Och mat enger Läschspannung vu 68 V an traditionelle Schaltungen kann d'PDE nëmmen op 75,1 % erhéicht ginn.

Léisung

Optiméiert d'Halbleiterstruktur vum SPAD. Réckbeliichten Design: Afalen Photonen zerfalen exponentiell a Silizium. Déi Réckbeliichten Struktur garantéiert, datt déi meescht Photonen an der Absorptiounsschicht absorbéiert ginn, an déi generéiert Elektronen an d'Lawinenregioun injizéiert ginn. Well d'Ioniséierungsquote vun Elektronen a Silizium méi héich ass wéi déi vu Lächer, bitt d'Elektroneinjektioun eng méi héich Wahrscheinlechkeet vun enger Lawin. Dotierungskompensatioun Lawinenregioun: Duerch d'Benotzung vum kontinuéierleche Diffusiounsprozess vu Bor a Phosphor gëtt déi flaach Dotierung kompenséiert fir dat elektrescht Feld an der déiwer Regioun mat manner Kristalldefekter ze konzentréieren, wat effektiv Rauschen wéi DCR reduzéiert.

2. Héichleistungs-Ausliesschaltung. 50V Héichamplitude-Quenching Schnell Zoustandsiwwergang; Multimodal Operatioun: Duerch d'Kombinatioun vun den FPGA-Kontrollsignaler QUENCHING a RESET gëtt e flexible Wiessel tëscht fräiem Betrib (Signaltrigger), Gating (extern GATE-Undriff) an Hybridmodi erreecht.

3. Virbereedung a Verpackung vum Apparat. De SPAD-Waferprozess gëtt benotzt, mat engem Butterfly-Package. De SPAD gëtt un den AlN-Tragträgersubstrat gebonnen an vertikal um thermoelektresche Killer (TEC) installéiert, an d'Temperaturkontroll gëtt iwwer en Thermistor erreecht. Multimode-optesch Fasere sinn präzis mam SPAD-Mëtt ausgeriicht fir eng effizient Kopplung z'erreechen.

4. Leeschtungskalibratioun. D'Kalibrierung gouf mat enger 785 nm Picosekonden-Pulslaserdiod (100 kHz) an engem Zäit-Digital-Konverter (TDC, 10 ps Opléisung) duerchgefouert.

Resumé

Duerch d'Optimiséierung vun der SPAD-Struktur (thick junction, back-illuminated, doping compensation) an d'Innovatioun vum 50 V Quenching-Schaltkrees huet dës Studie d'PDE vum Silizium-baséierten Eenzelphoton-Detektor erfollegräich op en neien Héicht vun 84,4% gedréckt. Am Verglach mat kommerziellen Produkter gouf seng ëmfaassend Leeschtung däitlech verbessert, wat praktesch Léisunge fir Uwendungen ewéi Quantekommunikatioun, Quantecomputer an héichempfindlech Bildgebung bitt, déi ultrahéich Effizienz a flexible Betrib erfuerderen. Dës Aarbecht huet eng solid Basis fir d'weider Entwécklung vu Silizium-baséierten Technologien geluecht.Eenzelphoton-DetektorTechnologie.