آشکارساز نوری تک فوتونیاز گلوگاه بهرهوری ۸۰ درصدی عبور کردهایم
تک فوتونآشکارساز نوریبه دلیل مزایای کم حجم بودن و کم هزینه بودن، به طور گسترده در زمینههای فوتونیک کوانتومی و تصویربرداری تک فوتونی مورد استفاده قرار میگیرند، اما با تنگناهای فنی زیر روبرو هستند.
محدودیتهای فنی فعلی
۱.CMOS و SPAD با اتصال نازک: اگرچه آنها دارای ادغام بالا و لرزش زمانبندی پایین هستند، لایه جذب نازک است (چند میکرومتر) و PDE در ناحیه نزدیک به مادون قرمز محدود است و تنها حدود ۳۲٪ در ۸۵۰ نانومتر است.
۲. SPAD با اتصال ضخیم: این ماده دارای یک لایه جذب با ضخامت دهها میکرومتر است. محصولات تجاری دارای PDE تقریباً ۷۰٪ در ۷۸۰ نانومتر هستند، اما عبور از ۸۰٪ بسیار چالش برانگیز است.
۳. محدودیتهای مدار بازخوانی: SPAD با اتصال ضخیم برای اطمینان از احتمال بالای بهمن، به ولتاژ بایاس بیش از ۳۰ ولت نیاز دارد. حتی با ولتاژ خاموشسازی ۶۸ ولت در مدارهای سنتی، PDE فقط میتواند تا ۷۵.۱٪ افزایش یابد.
راه حل
بهینه سازی ساختار نیمه هادی SPAD. طراحی با نور پس زمینه: فوتون های تابشی به صورت نمایی در سیلیکون واپاشی می شوند. ساختار با نور پس زمینه تضمین می کند که اکثر فوتون ها در لایه جذب جذب می شوند و الکترون های تولید شده به ناحیه بهمن تزریق می شوند. از آنجا که سرعت یونیزاسیون الکترون ها در سیلیکون بیشتر از حفره ها است، تزریق الکترون احتمال بیشتری برای بهمن فراهم می کند. جبران آلایش ناحیه بهمن: با استفاده از فرآیند انتشار مداوم بور و فسفر، آلایش کم عمق جبران می شود تا میدان الکتریکی در ناحیه عمیق با نقص های کریستالی کمتر متمرکز شود و به طور موثر نویز مانند DCR را کاهش دهد.
۲. مدار خوانش با کارایی بالا. خاموشسازی با دامنه بالای ۵۰ ولت، انتقال سریع حالت؛ عملکرد چندوجهی: با ترکیب سیگنالهای کنترل خاموشسازی و تنظیم مجدد FPGA، سوئیچینگ انعطافپذیر بین حالتهای عملکرد آزاد (تریگر سیگنال)، گیتینگ (راهاندازی گیت خارجی) و حالتهای ترکیبی حاصل میشود.
۳. آمادهسازی و بستهبندی دستگاه. فرآیند ویفر SPAD با بستهبندی پروانهای اتخاذ شده است. SPAD به زیرلایه حامل AlN متصل شده و به صورت عمودی روی خنککننده ترموالکتریک (TEC) نصب میشود و کنترل دما از طریق یک ترمیستور انجام میشود. فیبرهای نوری چند حالته دقیقاً با مرکز SPAD همتراز شدهاند تا کوپلینگ کارآمد حاصل شود.
۴. کالیبراسیون عملکرد. کالیبراسیون با استفاده از یک دیود لیزر پالسی پیکوثانیه ۷۸۵ نانومتری (۱۰۰ کیلوهرتز) و یک مبدل دیجیتال زمانی (TDC، وضوح ۱۰ پیکوثانیه) انجام شد.
خلاصه
با بهینهسازی ساختار SPAD (اتصال ضخیم، نور پسزمینه، جبران آلایش) و نوآوری مدار خاموشسازی ۵۰ ولتی، این مطالعه با موفقیت PDE آشکارساز تک فوتونی مبتنی بر سیلیکون را به سطح جدیدی معادل ۸۴.۴٪ رساند. در مقایسه با محصولات تجاری، عملکرد جامع آن به طور قابل توجهی افزایش یافته است و راهحلهای عملی برای کاربردهایی مانند ارتباطات کوانتومی، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری با حساسیت بالا که نیاز به راندمان فوقالعاده بالا و عملکرد انعطافپذیر دارند، ارائه میدهد. این کار پایه محکمی برای توسعه بیشتر آشکارسازهای مبتنی بر سیلیکون ایجاد کرده است.آشکارساز تک فوتونفناوری.
زمان ارسال: ۲۸ اکتبر ۲۰۲۵