Бір фотонды фотодетектор 80% тиімділік кедергісін жеңіп шықты

Бір фотонды фотодетектор80% тиімділік кедергісін жеңіп шықты

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

Қазіргі техникалық шектеулер

1. CMOS және жұқа түйіспелі SPAD: Олардың интеграциясы жоғары және уақыттық діріл төмен болғанымен, сіңіру қабаты жұқа (бірнеше микрометр), ал PDE жақын инфрақызыл аймақта шектеулі, 850 нм толқын ұзындығында шамамен 32% құрайды.

2. Қалың түйіспелі SPAD: Оның қалыңдығы ондаған микрометр болатын сіңіру қабаты бар. Коммерциялық өнімдерде 780 нм толқын ұзындығында шамамен 70% PDE бар, бірақ 80%-ды бұзу өте қиын.

3. Тізбек шектеулерін оқыңыз: Қалың түйіспелі SPAD көшкін ықтималдығының жоғары болуын қамтамасыз ету үшін 30 В-тан жоғары үстіңгі кернеуді қажет етеді. Дәстүрлі тізбектерде 68 В сөндіру кернеуімен де, PDE тек 75,1%-ға дейін арттырылуы мүмкін.

Шешім

SPAD жартылай өткізгіш құрылымын оңтайландырыңыз. Артқы жарықтандыру дизайны: Кремнийде түскен фотондар экспоненциалды түрде ыдырайды. Артқы жарықтандыру құрылымы фотондардың көпшілігінің жұтылу қабатында жұтылуын және пайда болған электрондардың көшкін аймағына енгізілуін қамтамасыз етеді. Кремнийдегі электрондардың иондану жылдамдығы тесіктерге қарағанда жоғары болғандықтан, электронды енгізу көшкіннің жоғары ықтималдығын қамтамасыз етеді. Қоспаны өтеу көшкін аймағы: Бор мен фосфордың үздіксіз диффузиялық процесін пайдалану арқылы таяз қоспалау кристалдық ақаулары аз терең аймақта электр өрісін шоғырландыру үшін өтеледі, бұл DCR сияқты шуды тиімді түрде азайтады.

2. Жоғары өнімді оқу тізбегі. 50В жоғары амплитудалы сөндіру Жылдам күйге ауысу; Мультимодальды жұмыс: FPGA басқаруын сөндіру және қалпына келтіру сигналдарын біріктіру арқылы еркін жұмыс (сигнал триггері), қақпалау (сыртқы GATE жетегі) және гибридті режимдер арасында икемді ауысу жүзеге асырылады.

3. Құрылғыны дайындау және қаптау. SPAD пластинасы процесі көбелек тәрізді қаптамамен қабылданады. SPAD AlN тасымалдаушы негізіне бекітіліп, термоэлектрлік салқындатқышқа (TEC) тігінен орнатылады, ал температураны басқару термистор арқылы жүзеге асырылады. Тиімді байланысқа қол жеткізу үшін көп режимді оптикалық талшықтар SPAD орталығымен дәл тураланған.

4. Өнімділікті калибрлеу. Калибрлеу 785 нм пикосекундтық импульсті лазерлік диод (100 кГц) және уақыт-сандық түрлендіргіш (TDC, 10 пс ажыратымдылық) арқылы жүргізілді.

Қысқаша мазмұны

SPAD құрылымын оңтайландыру (қалың түйіспе, артқы жарықтандыру, легирлеуді өтеу) және 50 В сөндіру тізбегін инновациялау арқылы бұл зерттеу кремний негізіндегі бір фотонды детектордың PDE-ін 84,4%-ға жаңа биіктікке сәтті көтерді. Коммерциялық өнімдермен салыстырғанда, оның кешенді өнімділігі айтарлықтай жақсарды, бұл кванттық байланыс, кванттық есептеулер және аса жоғары тиімділік пен икемді жұмысты қажет ететін жоғары сезімталдықты бейнелеу сияқты қолданбалар үшін практикалық шешімдерді ұсынады. Бұл жұмыс кремний негізіндегі технологияны одан әрі дамыту үшін берік негіз қалады.бір фотонды детектортехнология.