Il fotodiodo a fotone singolo ha superato il collo di bottiglia dell'efficienza dell'80%

Fotodiodo a singolo fotonehanno superato il collo di bottiglia dell'efficienza dell'80%

Singolo fotonefotodiodosono ampiamente utilizzati nei campi della fotonica quantistica e dell'imaging a singolo fotone grazie ai loro vantaggi di compattezza e basso costo, ma devono affrontare i seguenti colli di bottiglia tecnici.

Limitazioni tecniche attuali

1. CMOS e SPAD a giunzione sottile: nonostante abbiano un'elevata integrazione e un basso jitter temporale, lo strato di assorbimento è sottile (pochi micrometri) e la PDE è limitata nella regione del vicino infrarosso, con solo circa il 32% a 850 nm.

2. SPAD a giunzione spessa: presenta uno strato di assorbimento spesso decine di micrometri. I prodotti commerciali hanno una PDE di circa il 70% a 780 nm, ma superare l'80% è estremamente difficile.

3. Limitazioni del circuito di lettura: lo SPAD a giunzione spessa richiede una tensione di sovrapolarizzazione superiore a 30 V per garantire un'elevata probabilità di valanga. Anche con una tensione di quenching di 68 V nei circuiti tradizionali, la PDE può essere aumentata solo al 75,1%.

Soluzione

Ottimizzazione della struttura semiconduttrice dello SPAD. Design retroilluminato: i fotoni incidenti decadono esponenzialmente nel silicio. La struttura retroilluminata garantisce che la maggior parte dei fotoni venga assorbita nello strato di assorbimento e che gli elettroni generati vengano iniettati nella regione a valanga. Poiché il tasso di ionizzazione degli elettroni nel silicio è superiore a quello delle lacune, l'iniezione di elettroni aumenta la probabilità di formazione di valanga. Compensazione del drogaggio nella regione a valanga: utilizzando il processo di diffusione continua di boro e fosforo, il drogaggio superficiale viene compensato per concentrare il campo elettrico nella regione profonda con meno difetti cristallini, riducendo efficacemente il rumore come il DCR.

2. Circuito di lettura ad alte prestazioni. Spegnimento ad alta ampiezza da 50 V. Transizione di stato rapida. Funzionamento multimodale: combinando i segnali di QUENCHING e RESET del controllo FPGA, si ottiene una commutazione flessibile tra modalità di funzionamento libero (trigger del segnale), gating (azionamento GATE esterno) e modalità ibrida.

3. Preparazione e confezionamento del dispositivo. Viene adottato il processo di wafer SPAD, con un package a farfalla. Lo SPAD viene incollato al substrato di supporto in AlN e installato verticalmente sul raffreddatore termoelettrico (TEC); il controllo della temperatura avviene tramite un termistore. Le fibre ottiche multimodali vengono allineate con precisione con il centro dello SPAD per ottenere un accoppiamento efficiente.

4. Calibrazione delle prestazioni. La calibrazione è stata effettuata utilizzando un diodo laser pulsato a picosecondi da 785 nm (100 kHz) e un convertitore tempo-digitale (TDC, risoluzione 10 ps).

Riepilogo

Ottimizzando la struttura SPAD (giunzione spessa, retroilluminata, compensazione del drogaggio) e innovando il circuito di quenching a 50 V, questo studio ha portato con successo la PDE del rivelatore a singolo fotone al silicio a un nuovo livello dell'84,4%. Rispetto ai prodotti commerciali, le sue prestazioni complessive sono state notevolmente migliorate, fornendo soluzioni pratiche per applicazioni come la comunicazione quantistica, il calcolo quantistico e l'imaging ad alta sensibilità che richiedono un'efficienza elevatissima e un funzionamento flessibile. Questo lavoro ha gettato solide basi per l'ulteriore sviluppo di rivelatori a base di silicio.rilevatore di fotoni singolitecnologia.