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

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

Fotón únicofotodetectorSe utilizan ampliamente en los campos de la fotónica cuántica y la obtención de imágenes de fotones individuales debido a sus ventajas compactas y de bajo coste, pero se enfrentan a los siguientes cuellos de botella 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 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 aumentarse al 75,1 %.

Solución

Optimización de la estructura semiconductora del SPAD. Diseño retroiluminado: Los fotones incidentes se desintegran exponencialmente en 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. Dado que la tasa de ionización de los electrones en el silicio es mayor que la de los huecos, la inyección de electrones aumenta la probabilidad de avalancha. Compensación del dopaje en la región de avalancha: 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 la DCR.

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

3. Preparación y empaquetado del dispositivo. Se adopta el proceso de oblea SPAD, con un encapsulado mariposa. El SPAD se une al sustrato portador de AlN y se instala verticalmente en el enfriador termoeléctrico (TEC). La temperatura se controla 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 con un diodo láser pulsado de picosegundos de 785 nm (100 kHz) y un convertidor de tiempo-digital (TDC, resolución de 10 ps).

Resumen

Al optimizar la estructura SPAD (unión gruesa, retroiluminación y compensación de dopaje) e innovar el circuito de extinción de 50 V, este estudio logró elevar la PDE del detector monofotónico de silicio a un nuevo nivel del 84,4 %. En comparación con los productos comerciales, su rendimiento integral se ha mejorado significativamente, brindando soluciones prácticas para aplicaciones como la comunicación cuántica, la computación cuántica y la imagen de alta sensibilidad que requieren una eficiencia ultraalta y un funcionamiento flexible. Este trabajo ha sentado una base sólida para el desarrollo futuro de los detectores de silicio.detector de fotón únicotecnología.