Los fotodetectores de un solo fotón han superado el cuello de botella del 80% de eficiencia.

Fotodetector de un solo fotónHemos superado el cuello de botella de eficiencia del 80%.

Fotón únicofotodetectorSe utilizan ampliamente en los campos de la fotónica cuántica y la imagen de un solo fotón debido a sus ventajas de tamaño compacto y bajo coste, pero se enfrentan a los siguientes obstáculos técnicos.

Limitaciones técnicas actuales

1. SPAD CMOS y de unión delgada: Aunque tienen una alta integración y una 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 eficiencia de detección fotoeléctrica (PDE) de aproximadamente el 70 % a 780 nm, pero superar el 80 % es extremadamente difícil.

3. Limitaciones del circuito: El SPAD de unión gruesa requiere una tensión de sobrepolarización superior a 30 V para garantizar una alta probabilidad de avalancha. Incluso con una tensión de extinción de 68 V en circuitos tradicionales, la PDE solo puede aumentar 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 se absorban en la capa de absorción y que los electrones generados se inyecten en la región de avalancha. Debido a 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 de 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 menos defectos cristalinos, reduciendo eficazmente el ruido como el DCR.

2. Circuito de lectura de alto rendimiento. Extinción de alta amplitud de 50 V. Transición de estado rápida; Operación multimodal: Al combinar las señales de control QUENCHING y RESET de la FPGA, se logra una conmutación flexible entre operación libre (disparo de señal), activación (control de puerta externa) y modos híbridos.

3. Preparación y empaquetado del dispositivo. Se utiliza el proceso de fabricación de obleas SPAD con encapsulado tipo mariposa. El SPAD se adhiere al sustrato portador de AlN y se instala verticalmente en el enfriador termoeléctrico (TEC). El control de temperatura se logra 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 realizó utilizando un diodo láser pulsado de picosegundos de 785 nm (100 kHz) y un convertidor tiempo-digital (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 individuales (PDE) del detector de fotones individuales basado en silicio a un nuevo nivel del 84,4 %. En comparación con los productos comerciales, su rendimiento integral se ha mejorado significativamente, proporcionando soluciones prácticas para aplicaciones como la comunicación cuántica, la computación cuántica y la obtención de imágenes de alta sensibilidad que requieren una eficiencia ultra alta y un funcionamiento flexible. Este trabajo ha sentado una base sólida para el desarrollo futuro de dispositivos basados ​​en silicio.detector de fotones individualestecnología.