U fotodetector à fotone unicu hà superatu u collu di buttiglia di l'80% d'efficienza

Fotodetector à fotone unicuanu superatu u collu di buttiglia di l'80% di efficienza

Fotone unicufotodetettoresò largamente aduprati in i campi di a fotonica quantica è di l'imaghjini à un fotone per via di i so vantaghji cumpatti è di bassu costu, ma sò cunfruntati cù i seguenti colli di buttiglia tecnichi.

Limitazioni tecniche attuali

1.CMOS è SPAD à giunzione fina: Ancu s'elli anu una alta integrazione è un jitter di timing bassu, u stratu d'assorbimentu hè finu (uni pochi micrometri), è l'EDP hè limitata in a regione vicinu à l'infrarossu, cù solu circa u 32% à 850 nm.

2. SPAD à giunzione spessa: Hà un stratu d'assorbimentu di decine di micrometri di spessore. I prudutti cummerciali anu una PDE di circa 70% à 780 nm, ma sfondà l'80% hè estremamente difficiule.

3. Limitazioni di u circuitu di lettura: U SPAD à giunzione spessa richiede una tensione di sovrapolarizazione di più di 30 V per assicurà una alta probabilità di valanga. Ancu cù una tensione di stinzione di 68 V in i circuiti tradiziunali, l'EQP pò esse aumentata solu à 75,1%.

Soluzione

Ottimizza a struttura di semiconduttori di SPAD. Design retroilluminatu: I fotoni incidenti decadenu esponenzialmente in u siliciu. A struttura retroilluminata assicura chì a maiò parte di i fotoni sò assorbiti in u stratu d'assorbimentu, è l'elettroni generati sò iniettati in a regione di valanga. Siccome a velocità di ionizazione di l'elettroni in u siliciu hè più alta di quella di i lacune, l'iniezione di elettroni furnisce una probabilità più alta di valanga. Compensazione di u doping in a regione di valanga: Utilizendu u prucessu di diffusione cuntinua di boru è fosforu, u doping superficiale hè compensatu per cuncentrà u campu elettricu in a regione prufonda cù menu difetti di cristallu, riducendu efficacemente u rumore cum'è DCR.

2. Circuitu di lettura d'alte prestazioni. Quenching d'alta ampiezza 50V Transizione di statu rapida; Funzionamentu multimodale: Cumbinendu i signali di QUENCHING è RESET di u cuntrollu FPGA, si ottiene una commutazione flessibile trà u funziunamentu liberu (trigger di signale), u gating (azionamentu GATE esternu) è i modi ibridi.

3. Preparazione è imballaggio di u dispusitivu. U prucessu di wafer SPAD hè aduttatu, cù un pacchettu à farfalla. U SPAD hè ligatu à u sustratu di supportu AlN è installatu verticalmente nantu à u raffreddatore termoelettricu (TEC), è u cuntrollu di a temperatura hè ottenutu per mezu di un termistore. E fibre ottiche multimodali sò allineate precisamente cù u centru SPAD per ottene un accoppiamentu efficiente.

4. Calibrazione di e prestazioni. A calibrazione hè stata effettuata aduprendu un diodu laser pulsatu di 785 nm picosecondi (100 kHz) è un convertitore digitale di tempu (TDC, risoluzione 10 ps).

Riassuntu

Ottimizendu a struttura SPAD (giunzione spessa, retroilluminata, compensazione di doping) è innuvendu u circuitu di stinzione di 50 V, questu studiu hà purtatu cù successu l'Equal Detector di fotoni singuli di u rilevatore à basa di siliciu à una nova altezza di 84,4%. In paragone cù i prudutti cummerciali, e so prestazioni cumplete sò state significativamente migliorate, furnendu suluzioni pratiche per applicazioni cum'è a cumunicazione quantica, l'informatica quantica è l'imaghjini ad alta sensibilità chì richiedenu un'efficienza ultra-alta è un funziunamentu flessibile. Questu travagliu hà messu una basa solida per l'ulteriore sviluppu di l'informatica à basa di siliciu.rilevatore di fotoni singulitecnulugia.