ერთფოტონიანმა ფოტოდეტექტორმა გაარღვია 80%-იანი ეფექტურობის შემაფერხებელი ზოლი.

ერთფოტონიანი ფოტოდეტექტორიგადალახეს 80%-იანი ეფექტურობის შემაფერხებელი ზღვარი

ერთფოტონიანიფოტოდეტექტორიფართოდ გამოიყენება კვანტური ფოტონიკისა და ერთფოტონიანი გამოსახულების სფეროებში მათი კომპაქტური და დაბალი ღირებულების უპირატესობების გამო, მაგრამ ისინი შემდეგ ტექნიკურ შეზღუდვებს აწყდებიან.

მიმდინარე ტექნიკური შეზღუდვები

1. CMOS და თხელი შეერთების SPAD: მიუხედავად იმისა, რომ მათ აქვთ მაღალი ინტეგრაცია და დაბალი დროის რხევა, შთანთქმის ფენა თხელია (რამდენიმე მიკრომეტრი) და ნაწილობრივი დიფერენციალური დიაპაზონი შეზღუდულია ახლო ინფრაწითელ რეგიონში, მხოლოდ დაახლოებით 32%-ით 850 ნმ-ზე.

2. სქელი შეერთების მქონე SPAD: მას აქვს ათობით მიკრომეტრის სისქის შთანთქმის ფენა. კომერციულ პროდუქტებს 780 ნმ-ზე დაახლოებით 70%-იანი ნაწილაკების დიფერენციალური დისპეფსია აქვთ, მაგრამ 80%-ის გარღვევა უკიდურესად რთულია.

3. წრედის შეზღუდვები: სქელი შეერთების SPAD-ს 30 ვოლტზე მეტი გადახრის ძაბვა სჭირდება ზვავის მაღალი ალბათობის უზრუნველსაყოფად. ტრადიციულ წრედებში 68 ვოლტის ჩაქრობის ძაბვის შემთხვევაშიც კი, PDE-ს გაზრდა მხოლოდ 75.1%-მდეა შესაძლებელი.

გადაწყვეტა

SPAD-ის ნახევარგამტარული სტრუქტურის ოპტიმიზაცია. უკუგანათებული დიზაინი: ინციდენტური ფოტონები ექსპონენციალურად იშლება სილიციუმში. უკუგანათებული სტრუქტურა უზრუნველყოფს, რომ ფოტონების უმეტესობა შეიწოვება შთანთქმის ფენაში და წარმოქმნილი ელექტრონები შეჰყავთ ზვავის რეგიონში. რადგან სილიციუმში ელექტრონების იონიზაციის სიჩქარე უფრო მაღალია, ვიდრე ხვრელების, ელექტრონების ინექცია უზრუნველყოფს ზვავის წარმოქმნის უფრო მაღალ ალბათობას. დოპინგის კომპენსაციის ზვავის რეგიონი: ბორისა და ფოსფორის უწყვეტი დიფუზიის პროცესის გამოყენებით, ზედაპირული დოპირება კომპენსირდება ელექტრული ველის კონცენტრირებისთვის ღრმა რეგიონში ნაკლები კრისტალური დეფექტებით, რაც ეფექტურად ამცირებს ხმაურს, როგორიცაა DCR.

2. მაღალი ხარისხის წაკითხვის სქემა. 50 ვ მაღალი ამპლიტუდის ჩაქრობა. სწრაფი მდგომარეობის გადასვლა; მულტიმოდალური მუშაობა: FPGA კონტროლის QUENCHING და RESET სიგნალების კომბინაციით, მიიღწევა მოქნილი გადართვა თავისუფალ მუშაობას (სიგნალის ტრიგერი), გეითინგს (გარე GATE დრაივი) და ჰიბრიდულ რეჟიმებს შორის.

3. მოწყობილობის მომზადება და შეფუთვა. გამოყენებულია SPAD ვაფლის პროცესი, პეპლისებრი შეფუთვით. SPAD მიმაგრებულია AlN მატარებელ სუბსტრატზე და ვერტიკალურად დამონტაჟებულია თერმოელექტრულ გამაგრილებელზე (TEC), ხოლო ტემპერატურის კონტროლი ხორციელდება თერმისტორის საშუალებით. მულტიმოდური ოპტიკური ბოჭკოები ზუსტად არის გასწორებული SPAD ცენტრთან ეფექტური შეერთების მისაღწევად.

4. შესრულების კალიბრაცია. კალიბრაცია განხორციელდა 785 ნმ პიკოწამიანი იმპულსური ლაზერული დიოდის (100 კჰც) და დროში ციფრული გადამყვანის (TDC, 10 ps გარჩევადობა) გამოყენებით.

რეზიუმე

SPAD სტრუქტურის (სქელი შეერთება, უკუგანათება, დოპინგის კომპენსაცია) ოპტიმიზაციით და 50 ვოლტიანი ჩაქრობის სქემის ინოვაციით, ამ კვლევამ წარმატებით აიყვანა სილიციუმზე დაფუძნებული ერთფოტონიანი დეტექტორის პროპორციული დიფერენციალი ახალ სიმაღლეზე, 84.4%-მდე. კომერციულ პროდუქტებთან შედარებით, მისი ყოვლისმომცველი მუშაობა მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა, რაც უზრუნველყოფს პრაქტიკულ გადაწყვეტილებებს ისეთი აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა კვანტური კომუნიკაცია, კვანტური გამოთვლები და მაღალი მგრძნობელობის გამოსახულება, რომლებიც მოითხოვს ულტრამაღალ ეფექტურობას და მოქნილ მუშაობას. ამ ნაშრომმა მყარი საფუძველი ჩაუყარა სილიციუმზე დაფუძნებული დეტექტორის შემდგომ განვითარებას.ერთფოტონიანი დეტექტორიტექნოლოგია.