Nasira ang single-photon photodetector sa 80% na bottleneck ng kahusayan

Single-photon photodetectornalampasan ang 80% na bottleneck ng kahusayan

Single-photonphotodetectoray malawakang ginagamit sa mga larangan ng quantum photonics at single-photon imaging dahil sa kanilang compact at murang mga bentahe, ngunit sila ay nahaharap sa mga sumusunod na teknikal na bottleneck.

Kasalukuyang teknikal na limitasyon

1.CMOS at thin-junction SPAD: Bagama't mayroon silang mataas na integration at low timing jitter, manipis ang absorption layer (ilang micrometers), at limitado ang PDE sa near-infrared na rehiyon, na may halos 32% lang sa 850 nm.

2. Thick-junction SPAD: Nagtatampok ito ng absorption layer na sampu-sampung micrometer ang kapal. Ang mga komersyal na produkto ay may PDE na humigit-kumulang 70% sa 780 nm, ngunit ang paglampas sa 80% ay lubhang mahirap.

3. Basahin ang mga limitasyon ng circuit: Ang Thick-junction SPAD ay nangangailangan ng overbias na boltahe na higit sa 30V upang matiyak ang mataas na posibilidad ng avalanche. Kahit na may pagsusubo na boltahe na 68V sa tradisyonal na mga circuit, ang PDE ay maaari lamang tumaas sa 75.1%.

Solusyon

I-optimize ang semiconductor na istraktura ng SPAD. Back-iluminated na disenyo: Ang mga photon ng insidente ay mabilis na nabubulok sa silicon. Tinitiyak ng back-iluminated na istraktura na ang karamihan ng mga photon ay nasisipsip sa layer ng pagsipsip, at ang mga nabuong electron ay na-injected sa rehiyon ng avalanche. Dahil ang ionization rate ng mga electron sa silicon ay mas mataas kaysa sa mga butas, ang electron injection ay nagbibigay ng mas mataas na posibilidad ng avalanche. Doping compensation avalanche region: Sa pamamagitan ng paggamit ng tuluy-tuloy na proseso ng diffusion ng boron at phosphorus, ang mababaw na doping ay nababayaran upang ituon ang electric field sa malalim na rehiyon na may mas kaunting mga depekto sa kristal, na epektibong binabawasan ang ingay tulad ng DCR.

2. Mataas na pagganap ng readout circuit. 50V high amplitude quenching Mabilis na paglipat ng estado; Multimodal na operasyon: Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng FPGA control QUENCHING at RESET signal, ang flexible na paglipat sa pagitan ng libreng operasyon (signal trigger), gating (external GATE drive), at hybrid mode ay nakakamit.

3. Paghahanda at packaging ng device. Ang proseso ng SPAD wafer ay pinagtibay, na may pakete ng butterfly. Ang SPAD ay naka-bonding sa AlN carrier substrate at patayo na naka-install sa thermoelectric cooler (TEC), at ang temperature control ay nakakamit sa pamamagitan ng isang thermistor. Ang mga multimode optical fibers ay tiyak na nakahanay sa SPAD center upang makamit ang mahusay na pagkabit.

4. Pag-calibrate ng pagganap. Ang pagkakalibrate ay isinagawa gamit ang isang 785 nm picosecond pulsed laser diode (100 kHz) at isang time-digital converter (TDC, 10 ps resolution).

Buod

Sa pamamagitan ng pag-optimize sa istraktura ng SPAD (makapal na junction, back-iluminated, doping compensation) at pagbabago sa 50 V quenching circuit, matagumpay na naitulak ng pag-aaral na ito ang PDE ng single-photon detector na nakabatay sa silicon sa isang bagong taas na 84.4%. Kung ikukumpara sa mga komersyal na produkto, ang komprehensibong pagganap nito ay lubos na pinahusay, na nagbibigay ng mga praktikal na solusyon para sa mga aplikasyon tulad ng quantum communication, quantum computing, at high-sensitivity imaging na nangangailangan ng napakataas na kahusayan at flexible na operasyon. Ang gawaing ito ay naglatag ng matatag na pundasyon para sa karagdagang pag-unlad ng batay sa silikonsingle-photon detectorteknolohiya.