Os fotodetectores de fóton único superaram o gargalo de eficiência de 80%.

Fotodetector de fóton únicoromperam o gargalo de eficiência de 80%.

fóton únicofotodetectorSão amplamente utilizados nos campos da fotônica quântica e da imagem de fóton único devido às suas vantagens de tamanho compacto e baixo custo, mas enfrentam os seguintes gargalos técnicos.

Limitações técnicas atuais

1. SPADs CMOS e de junção fina: Embora apresentem alta integração e baixa instabilidade temporal, a camada de absorção é fina (alguns micrômetros) e a eficiência de distribuição de potência (PDE) é limitada à região do infravermelho próximo, com apenas cerca de 32% em 850 nm.

2. SPAD de junção espessa: Possui uma camada de absorção com dezenas de micrômetros de espessura. Os produtos comerciais têm uma eficiência de distribuição de potência (PDE) de aproximadamente 70% a 780 nm, mas ultrapassar 80% é extremamente desafiador.

3. Limitações do circuito de leitura: Os SPADs de junção espessa requerem uma tensão de sobrepolarização superior a 30 V para garantir uma alta probabilidade de avalanche. Mesmo com uma tensão de extinção de 68 V em circuitos tradicionais, a PDE só pode ser aumentada para 75,1%.

Solução

Otimização da estrutura semicondutora do SPAD. Projeto com iluminação traseira: Os fótons incidentes decaem exponencialmente no silício. A estrutura com iluminação traseira garante que a maioria dos fótons seja absorvida na camada de absorção e que os elétrons gerados sejam injetados na região de avalanche. Como a taxa de ionização dos elétrons no silício é maior que a dos buracos, a injeção de elétrons proporciona uma maior probabilidade de avalanche. Região de avalanche com compensação de dopagem: Utilizando o processo de difusão contínua de boro e fósforo, a dopagem superficial é compensada para concentrar o campo elétrico na região profunda com menos defeitos cristalinos, reduzindo efetivamente o ruído, como a taxa de contagem escura (DCR).

2. Circuito de leitura de alto desempenho. Extinção de alta amplitude de 50 V. Transição de estado rápida; Operação multimodal: Combinando os sinais de controle QUENCHING e RESET do FPGA, é possível alternar de forma flexível entre operação livre (gatilho de sinal), gating (acionamento GATE externo) e modos híbridos.

3. Preparação e encapsulamento do dispositivo. O processo de fabricação do wafer SPAD é adotado, com encapsulamento em formato de borboleta. O SPAD é colado ao substrato de AlN e instalado verticalmente no refrigerador termoelétrico (TEC), e o controle de temperatura é realizado por meio de um termistor. Fibras ópticas multimodo são alinhadas com precisão ao centro do SPAD para obter um acoplamento eficiente.

4. Calibração de desempenho. A calibração foi realizada utilizando um diodo laser pulsado de picossegundos de 785 nm (100 kHz) e um conversor tempo-digital (TDC, resolução de 10 ps).

Resumo

Ao otimizar a estrutura do SPAD (junção espessa, retroiluminação, compensação de dopagem) e inovar o circuito de extinção de 50 V, este estudo elevou com sucesso a eficiência de detecção de fóton único (PDE) do detector de fóton único baseado em silício a um novo patamar de 84,4%. Comparado com produtos comerciais, seu desempenho geral foi significativamente aprimorado, fornecendo soluções práticas para aplicações como comunicação quântica, computação quântica e imagens de alta sensibilidade que exigem ultra-alta eficiência e operação flexível. Este trabalho estabeleceu uma base sólida para o desenvolvimento futuro de detectores de fóton único baseados em silício.detector de fóton únicotecnologia.