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

Photodetector na may iisang photonnalagpasan ang 80% na bottleneck ng kahusayan

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

Kasalukuyang mga limitasyong teknikal

1.CMOS at thin-junction SPAD: Bagama't mayroon silang mataas na integrasyon at mababang timing jitter, manipis ang absorption layer (ilang micrometer), at limitado ang PDE sa near-infrared region, na may humigit-kumulang 32% lamang sa 850 nm.

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

3. Basahin ang mga limitasyon ng circuit: Ang thick-junction SPAD ay nangangailangan ng overbias voltage na higit sa 30V upang matiyak ang mataas na posibilidad ng avalanche. Kahit na may quenching voltage na 68V sa mga tradisyunal na circuit, ang PDE ay maaari lamang pataasin sa 75.1%.

Solusyon

I-optimize ang istrukturang semiconductor ng SPAD. Disenyo ng back-illuminated: Ang mga incident photon ay mabilis na nabubulok sa silicon. Tinitiyak ng istrukturang back-illuminated na ang karamihan sa mga photon ay nasisipsip sa absorption layer, at ang mga nabuo na electron ay ini-inject sa rehiyon ng avalanche. Dahil ang ionization rate ng mga electron sa silicon ay mas mataas kaysa sa mga hole, ang electron injection ay nagbibigay ng mas mataas na posibilidad ng avalanche. Doping compensation avalanche region: Sa pamamagitan ng paggamit ng patuloy na proseso ng diffusion ng boron at phosphorus, ang shallow doping ay kino-compensate upang i-concentrate ang electric field sa malalim na rehiyon na may mas kaunting crystal defects, na epektibong binabawasan ang ingay tulad ng DCR.

2. Mataas na pagganap na readout circuit. 50V mataas na amplitude quenching Mabilis na state transition; Multimodal na operasyon: Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng FPGA control QUENCHING at RESET signals, nakakamit ang flexible na paglipat sa pagitan ng free operation (signal trigger), gating (external GATE drive), at hybrid modes.

3. Paghahanda at pagbabalot ng aparato. Ginagamit ang proseso ng SPAD wafer, na may butterfly package. Ang SPAD ay ikinakabit sa AlN carrier substrate at patayong inilalagay sa thermoelectric cooler (TEC), at ang pagkontrol ng temperatura ay nakakamit sa pamamagitan ng isang thermistor. Ang mga multimode optical fiber ay eksaktong nakahanay sa sentro ng SPAD upang makamit ang mahusay na coupling.

4. Kalibrasyon ng pagganap. Isinagawa ang kalibrasyon 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 istruktura ng SPAD (thick junction, back-illuminated, doping compensation) at pagbabago sa 50 V quenching circuit, matagumpay na naitulak ng pag-aaral na ito ang PDE ng silicon-based single-photon detector sa 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 ultra-high efficiency at flexible na operasyon. Ang gawaing ito ay naglatag ng matibay na pundasyon para sa karagdagang pag-unlad ng silicon-based...detektor ng iisang photonteknolohiya.