Бір фотонды фотодетектор 80% тиімділік кедергісін бұзды

Бір фотонды фотодетектор80% тиімділік тар жолын бұзды

Бір фотондыфотодетекторықшам және арзан артықшылықтарына байланысты кванттық фотоника және бір фотонды бейнелеу салаларында кеңінен қолданылады, бірақ олар келесі техникалық кедергілерге тап болады.

Ағымдағы техникалық шектеулер

1.CMOS және жұқа түйінді SPAD: Олардың интеграциясы жоғары және уақыттық дірілдері төмен болғанымен, сіңіру қабаты жұқа (бірнеше микрометр) және PDE жақын инфрақызыл аймақта шектелген, 850 нм кезінде шамамен 32% ғана.

2. Қалың түйіспелі SPAD: Оның қалыңдығы ондаған микрометрлік сіңіру қабаты бар. Коммерциялық өнімдерде 780 нм-де шамамен 70% PDE бар, бірақ 80% өту өте қиын.

3. Оқу тізбегіндегі шектеулер: Қалың түйіспелі SPAD көшкінінің жоғары ықтималдығын қамтамасыз ету үшін 30 В-тан асатын шамадан тыс кернеуді қажет етеді. Дәстүрлі тізбектердегі 68 В сөндіру кернеуінің өзінде PDE тек 75,1% дейін ұлғайтылуы мүмкін.

Шешім

SPAD жартылай өткізгіш құрылымын оңтайландыру. Артқы жарықтандырылған дизайн: инцидент фотондар кремнийде экспоненциалды түрде ыдырайды. Артқы жарықтандырылған құрылым фотондардың көпшілігінің сіңіру қабатында жұтылуын қамтамасыз етеді, ал түзілген электрондар көшкін аймағына жіберіледі. Кремнийдегі электрондардың иондану жылдамдығы саңылауларға қарағанда жоғары болғандықтан, электронды инъекция көшкіннің жоғары ықтималдығын қамтамасыз етеді. Допинг компенсациясының көшкін аймағы: Бор мен фосфордың үздіксіз диффузия процесін пайдалану арқылы таяз қоспалар DCR сияқты шуды тиімді төмендететін кристалдық ақаулары азырақ терең аймақтағы электр өрісін шоғырландыру үшін өтеледі.

2. Жоғары өнімділікті оқу тізбегі. 50В жоғары амплитудалық сөндіру Күйдің жылдам өтуі; Мультимодальдық жұмыс: FPGA басқару QUENCHING және RESET сигналдарын біріктіру арқылы еркін жұмыс (сигнал триггері), қақпа (сыртқы GATE жетегі) және гибридті режимдер арасында икемді ауысуға қол жеткізіледі.

3. Құрылғыны дайындау және орау. SPAD вафли процесі көбелек пакетімен қабылданған. SPAD AlN тасымалдаушысының субстратына жалғанған және термоэлектрлік салқындатқышқа (TEC) тігінен орнатылған және температураны реттеу термистор арқылы жүзеге асырылады. Тиімді байланысқа қол жеткізу үшін мультимодалы оптикалық талшықтар SPAD орталығымен дәл тураланған.

4. Өнімділікті калибрлеу. Калибрлеу 785 нм пикосекундтық импульстік лазерлік диод (100 кГц) және уақытты-цифрлық түрлендіргіш (TDC, 10 ps рұқсат) арқылы жүзеге асырылды.

Түйіндеме

SPAD құрылымын оңтайландыру (қалың қосылыс, артқы жарықтандырылған, қоспаны толтыру) және 50 В сөндіру тізбегіне жаңалық енгізу арқылы бұл зерттеу кремний негізіндегі бір фотонды детектордың PDE-ін 84,4% жаңа биіктікке сәтті итермеледі. Коммерциялық өнімдермен салыстырғанда оның жан-жақты өнімділігі айтарлықтай жақсарды, бұл өте жоғары тиімділік пен икемді жұмысты қажет ететін кванттық байланыс, кванттық есептеулер және жоғары сезімталдықты бейнелеу сияқты қолданбаларға практикалық шешімдерді ұсынады. Бұл жұмыс кремний негізіндегі өндірісті одан әрі дамыту үшін берік негіз қаландыбір фотонды детектортехнология.