Жалгыз фотондуу фотодетектор 80% эффективдүүлүгүн жарып өттү

Бир фотондуу фотодетектор80% эффективдүүлүктү жарып өтүштү

Бир фотонфотодетекторкомпакттуу жана арзан артыкчылыктарынан улам кванттык фотоника жана бир фотондук сүрөттөө тармактарында кеңири колдонулат, бирок алар төмөнкүдөй техникалык тоскоолдуктарга туш болушат.

Учурдагы техникалык чектөөлөр

1.CMOS жана ичке түйүн SPAD: Алар жогорку интеграция жана аз убакыт jitter бар болсо да, жутуу катмары жука (бир нече микрометр), жана PDE жакын инфракызыл аймакта чектелген, 850 нм боюнча гана 32%.

2. Калың түйүндүү SPAD: Анын калыңдыгы ондогон микрометрлик жутуу катмары бар. Коммерциялык өнүмдөрдүн 780 нмде болжол менен 70% PDE бар, бирок 80% ды бузуу өтө кыйын.

3. Окуу чынжырынын чектөөлөрү: Калың түйүндүү SPAD көчкү коркунучунун жогору болушун камсыз кылуу үчүн 30V ашык ашыкча чыңалууну талап кылат. Салттуу схемаларда 68V өчүрүү чыңалуусу менен да, PDE 75,1% га чейин көбөйтүлүшү мүмкүн.

Чечим

SPAD жарым өткөргүч структурасын оптималдаштыруу. Арткы жарыктандырылган дизайн: Инцидент фотондор кремнийде экспоненциалдуу түрдө бузулат. Арткы жарыктандырылган түзүлүш фотондордун көпчүлүгүнүн абсорбция катмарында сиңирүүсүн жана өндүрүлгөн электрондордун көчкү аймагына сайылышын камсыздайт. Кремнийдеги электрондордун иондошуу ылдамдыгы тешиктерге караганда жогору болгондуктан, электрондук инъекция көчкү коркунучунун жогору болушун камсыз кылат. Допингдин компенсацияланган көчкү аймагы: Бор менен фосфордун үзгүлтүксүз диффузия процессин колдонуу менен тайыз допинг кристаллдык кемчиликтери азыраак терең аймакта электр талаасын топтоо үчүн компенсацияланат, DCR сыяктуу ызы-чууларды эффективдүү азайтат.

2. Жогорку натыйжалуу окуу схемасы. 50V жогорку амплитудалык өчүрүү Тез абалга өтүү; Мультимодальдык операция: FPGA башкаруу QUENCHING жана RESET сигналдарын айкалыштыруу менен, эркин иштөө (сигнал триггери), гатинг (тышкы GATE диск) жана гибриддик режимдердин ортосунда ийкемдүү которууга жетишилет.

3. Аппаратты даярдоо жана таңгактоо. SPAD вафли процесси көпөлөк пакети менен кабыл алынган. SPAD AlN алып жүрүүчү субстрат менен туташтырылган жана термоэлектрдик муздаткычка (TEC) вертикалдуу орнотулган жана температураны көзөмөлдөө термистор аркылуу ишке ашат. Натыйжалуу туташтырууга жетишүү үчүн мультимодулуу оптикалык була SPAD борбору менен так далдаштырылат.

4. Ишти калибрлөө. Калибрлөө 785 нм пикосекунддук импульстүү лазердик диод (100 кГц) жана убакыт-санариптик конвертер (TDC, 10 ps резолюция) менен жүргүзүлдү.

Жыйынтык

SPAD түзүмүн оптималдаштыруу (калың түйүн, арткы жарыктандырылган, допингдик компенсация) жана 50 В өчүрүү схемасын инновациялоо менен, бул изилдөө ийгиликтүү кремний негизиндеги бир фотондуу детектордун PDE 84,4% жаңы бийиктикке түрттү. Коммерциялык өнүмдөр менен салыштырганда, анын комплекстүү иштеши кыйла жогорулап, ультра жогорку эффективдүүлүктү жана ийкемдүү иштөөнү талап кылган кванттык байланыш, кванттык эсептөө жана жогорку сезгичтүү сүрөттөө сыяктуу колдонмолор үчүн практикалык чечимдерди камсыз кылган. Бул иш кремний негизин андан ары өнүктүрүү үчүн бекем негиз түздүбир фотондуу детектортехнология.