Yagona fotonli fotodetektor 80% samaradorlik muammosidan o'tib ketdi

Bir fotonli fotodetektor80% samaradorlik muammosidan o'tib ketdi

Yagona fotonfotodetektorixcham va arzon narxlardagi afzalliklari tufayli kvant fotonikasi va bir fotonli tasvirlash sohalarida keng qo'llaniladi, ammo ular quyidagi texnik qiyinchiliklarga duch kelishadi.

Hozirgi texnik cheklovlar

1.CMOS va nozik birlashma SPAD: Ular yuqori integratsiya va past vaqt jitteriga ega bo'lsa-da, yutilish qatlami nozik (bir necha mikrometr) va PDE yaqin infraqizil mintaqada cheklangan, 850 nm da faqat taxminan 32%.

2. Qalin o'tish SPAD: U o'nlab mikrometr qalinlikdagi assimilyatsiya qatlamiga ega. Tijorat mahsulotlari 780 nm da taxminan 70% PDE ga ega, ammo 80% ni buzish juda qiyin.

3. O'qish davri cheklovlari: Qalin ulanish SPAD yuqori ko'chki ehtimolini ta'minlash uchun 30V dan yuqori kuchlanishni talab qiladi. An'anaviy kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish 68V bo'lsa ham, PDE faqat 75,1% gacha oshirilishi mumkin.

Yechim

SPAD ning yarimo'tkazgich strukturasini optimallashtirish. Orqa yoritilgan dizayn: hodisa fotonlari kremniyda eksponent ravishda parchalanadi. Orqadan yoritilgan struktura fotonlarning ko'p qismi yutilish qatlamida so'rilishini ta'minlaydi va hosil bo'lgan elektronlar ko'chki hududiga AOK qilinadi. Kremniydagi elektronlarning ionlanish tezligi teshiklarga qaraganda yuqori bo'lganligi sababli, elektron in'ektsiyasi ko'chkining yuqori ehtimolini ta'minlaydi. Doping kompensatsiyasi ko'chki hududi: Bor va fosforning uzluksiz tarqalish jarayonidan foydalangan holda, sayoz doping chuqur mintaqadagi elektr maydonini kamroq kristall nuqsonlari bilan to'plash uchun kompensatsiya qilinadi va DCR kabi shovqinni samarali kamaytiradi.

2. Yuqori samarali o'qish sxemasi. 50V yuqori amplitudali söndürme Tez holatga o'tish; Multimodal ishlash: FPGA boshqaruvi QUENCHING va RESET signallarini birlashtirib, erkin ishlash (signal tetik), gating (tashqi GATE drayveri) va gibrid rejimlar o'rtasida moslashuvchan almashinuvga erishiladi.

3. Qurilmani tayyorlash va qadoqlash. SPAD gofret jarayoni kapalak paketi bilan qabul qilingan. SPAD AlN tashuvchisi substratiga ulanadi va vertikal ravishda termoelektrik sovutgichga (TEC) o'rnatiladi va haroratni nazorat qilish termistor orqali amalga oshiriladi. Ko'p rejimli optik tolalar samarali ulanishga erishish uchun SPAD markazi bilan aniq hizalanadi.

4. Ishlashni kalibrlash. Kalibrlash 785 nm pikosoniyali impulsli lazerli diod (100 kHz) va vaqt-raqamli konvertor (TDC, 10 ps o'lchamlari) yordamida amalga oshirildi.

Xulosa

SPAD strukturasini optimallashtirish (qalin birikma, orqadan yoritilgan, doping kompensatsiyasi) va 50 V söndürme sxemasini yangilash orqali ushbu tadqiqot kremniyga asoslangan yagona foton detektorining PDE-ni 84,4% yangi balandlikka muvaffaqiyatli surdi. Tijoriy mahsulotlar bilan taqqoslaganda, uning keng qamrovli ishlashi sezilarli darajada yaxshilandi, bu juda yuqori samaradorlik va moslashuvchan ishlashni talab qiluvchi kvant aloqasi, kvant hisoblash va yuqori sezgir tasvirlash kabi ilovalar uchun amaliy echimlarni taqdim etdi. Bu ish kremniy asosini yanada rivojlantirish uchun mustahkam poydevor yaratdibitta fotonli detektortexnologiya.