fotorivelatore a singolo fotonehanno superato il collo di bottiglia dell'efficienza dell'80%
singolo fotonefotorivelatoreSono ampiamente utilizzati nei settori della fotonica quantistica e dell'imaging a singolo fotone grazie ai loro vantaggi in termini di compattezza e basso costo, ma si trovano ad affrontare i seguenti colli di bottiglia tecnici.
Limitazioni tecniche attuali
1. SPAD CMOS e a giunzione sottile: Sebbene presentino un'elevata integrazione e un basso jitter temporale, lo strato di assorbimento è sottile (pochi micrometri) e l'efficienza di conversione fotonica (PDE) è limitata nella regione del vicino infrarosso, con solo circa il 32% a 850 nm.
2. SPAD a giunzione spessa: è caratterizzato da uno strato di assorbimento spesso decine di micrometri. I prodotti commerciali hanno un PDE di circa il 70% a 780 nm, ma superare l'80% è estremamente difficile.
3. Leggere i limiti del circuito: gli SPAD a giunzione spessa richiedono una tensione di sovratensione superiore a 30 V per garantire un'elevata probabilità di valanga. Anche con una tensione di spegnimento di 68 V nei circuiti tradizionali, l'efficienza di rilevamento della potenza (PDE) può essere aumentata solo fino al 75,1%.
Soluzione
Ottimizzazione della struttura a semiconduttore 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 di valanga. Poiché il tasso di ionizzazione degli elettroni nel silicio è superiore a quello delle lacune, l'iniezione di elettroni fornisce una maggiore probabilità di valanga. Regione di valanga con compensazione del drogaggio: utilizzando il processo di diffusione continua di boro e fosforo, il drogaggio superficiale viene compensato per concentrare il campo elettrico nella regione profonda con un minor numero di difetti cristallini, riducendo efficacemente il rumore come il DCR.
2. Circuito di lettura ad alte prestazioni. Estinzione ad alta ampiezza a 50 V. Transizione di stato rapida; Funzionamento multimodale: combinando i segnali di controllo QUENCHING e RESET dell'FPGA, si ottiene una commutazione flessibile tra funzionamento libero (attivazione del segnale), gating (pilotaggio GATE esterno) e modalità ibrida.
3. Preparazione e confezionamento del dispositivo. Viene adottato il processo di confezionamento a farfalla per i wafer SPAD. Lo SPAD viene incollato al substrato di supporto in AlN e installato verticalmente sul raffreddatore termoelettrico (TEC), e il controllo della temperatura viene ottenuto tramite un termistore. Le fibre ottiche multimodali sono allineate con precisione al 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 di 10 ps).
Riepilogo
Ottimizzando la struttura SPAD (giunzione spessa, retroilluminazione, compensazione del drogaggio) e innovando il circuito di spegnimento a 50 V, questo studio ha portato con successo l'efficienza di rilevamento dei fotoni (PDE) del rivelatore di singoli fotoni a base di 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 quali la comunicazione quantistica, il calcolo quantistico e l'imaging ad alta sensibilità che richiedono un'efficienza ultra-elevata e un funzionamento flessibile. Questo lavoro ha gettato solide basi per l'ulteriore sviluppo dei rivelatori di singoli fotoni a base di silicio.rivelatore di singolo fotonetecnologia.
Data di pubblicazione: 28 ottobre 2025