Los fotodetectores de fotón único han superado el cuello de botella de la eficiencia del 80%.

Fotodetector de fotón únicoHan superado el cuello de botella de eficiencia del 80%.

fotón únicofotodetectorSon ampliamente utilizados en los campos de la fotónica cuántica y la imagen de fotones individuales debido a sus ventajas de tamaño compacto y bajo costo, pero se enfrentan a los siguientes obstáculos técnicos.

Limitaciones técnicas actuales

1. CMOS y SPAD de unión delgada: Aunque tienen alta integración y baja fluctuación de tiempo, la capa de absorción es delgada (unos pocos micrómetros) y la PDE está limitada en la región del infrarrojo cercano, con solo alrededor del 32% a 850 nm.

2. SPAD de unión gruesa: Presenta una capa de absorción de decenas de micrómetros de espesor. Los productos comerciales tienen una PDE de aproximadamente el 70 % a 780 nm, pero superar el 80 % es extremadamente difícil.

3. Limitaciones del circuito de lectura: El SPAD de unión gruesa requiere una tensión de polarización excesiva superior a 30 V para garantizar una alta probabilidad de avalancha. Incluso con una tensión de extinción de 68 V en circuitos tradicionales, la eficiencia de detección de fotones (PDE) solo puede incrementarse hasta el 75,1 %.

Solución

Optimización de la estructura semiconductora del SPAD. Diseño retroiluminado: Los fotones incidentes decaen exponencialmente en el silicio. La estructura retroiluminada garantiza que la mayoría de los fotones sean absorbidos en la capa de absorción y que los electrones generados se inyecten en la región de avalancha. Dado que la tasa de ionización de los electrones en el silicio es mayor que la de los huecos, la inyección de electrones proporciona una mayor probabilidad de avalancha. Región de avalancha con compensación de dopaje: Mediante el proceso de difusión continua de boro y fósforo, se compensa el dopaje superficial para concentrar el campo eléctrico en la región profunda con menor cantidad de defectos cristalinos, reduciendo eficazmente el ruido, como la DCR.

2. Circuito de lectura de alto rendimiento. Supresión de alta amplitud de 50 V. Transición de estado rápida; Operación multimodal: Mediante la combinación de las señales de control FPGA QUENCHING y RESET, se logra una conmutación flexible entre operación libre (disparo por señal), activación (control GATE externo) y modos híbridos.

3. Preparación y encapsulado del dispositivo. Se utiliza el proceso de fabricación de obleas SPAD con encapsulado tipo mariposa. El SPAD se une al sustrato portador de AlN y se instala verticalmente sobre el refrigerador termoeléctrico (TEC). El control de temperatura se realiza mediante un termistor. Las fibras ópticas multimodo se alinean con precisión con el centro del SPAD para lograr un acoplamiento eficiente.

4. Calibración del rendimiento. La calibración se llevó a cabo utilizando un diodo láser pulsado de picosegundos de 785 nm (100 kHz) y un convertidor digital de tiempo (TDC, resolución de 10 ps).

Resumen

Mediante la optimización de la estructura SPAD (unión gruesa, retroiluminación, compensación de dopaje) y la innovación del circuito de extinción de 50 V, este estudio logró elevar la eficiencia de detección de fotones (PDE) del detector de fotón único basado en silicio a un nuevo nivel del 84,4 %. En comparación con los productos comerciales, su rendimiento integral se ha mejorado significativamente, ofreciendo soluciones prácticas para aplicaciones como la comunicación cuántica, la computación cuántica y la obtención de imágenes de alta sensibilidad, que requieren una eficiencia ultraalta y un funcionamiento flexible. Este trabajo ha sentado las bases para el desarrollo futuro de detectores basados ​​en silicio.detector de fotón únicotecnología.