सिंगल-फोटॉन फोटोडिटेक्टरने ८०% कार्यक्षमतेचा अडथळा पार केला आहे.

सिंगल-फोटॉन फोटोडिटेक्टर८०% कार्यक्षमतेचा अडथळा पार केला आहे

सिंगल-फोटॉनफोटोडिटेक्टरत्यांच्या कॉम्पॅक्ट आणि कमी किमतीच्या फायद्यांमुळे क्वांटम फोटोनिक्स आणि सिंगल-फोटॉन इमेजिंगच्या क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात, परंतु त्यांना खालील तांत्रिक अडचणींचा सामना करावा लागतो.

सध्याच्या तांत्रिक मर्यादा

१.CMOS आणि थिन-जंक्शन SPAD: जरी त्यांच्यात उच्च एकात्मता आणि कमी वेळेचा जिटर असला तरी, शोषण थर पातळ आहे (काही मायक्रोमीटर), आणि PDE जवळ-इन्फ्रारेड प्रदेशात मर्यादित आहे, ८५० nm वर फक्त ३२% आहे.

२. जाड-जंक्शन SPAD: यात दहा मायक्रोमीटर जाडीचा शोषण थर असतो. व्यावसायिक उत्पादनांमध्ये ७८० nm वर अंदाजे ७०% PDE असतो, परंतु ८०% तोडणे अत्यंत आव्हानात्मक असते.

३. सर्किट मर्यादा वाचा: जाड-जंक्शन SPAD ला उच्च हिमस्खलन संभाव्यता सुनिश्चित करण्यासाठी ३०V पेक्षा जास्त ओव्हरबायस व्होल्टेज आवश्यक आहे. पारंपारिक सर्किटमध्ये ६८V च्या क्वेंचिंग व्होल्टेजसह, PDE फक्त ७५.१% पर्यंत वाढवता येते.

उपाय

SPAD ची अर्धवाहक रचना ऑप्टिमाइझ करा. बॅक-इल्युमिनेटेड डिझाइन: सिलिकॉनमध्ये घटना फोटॉनचे घातांकीय क्षय होते. बॅक-इल्युमिनेटेड स्ट्रक्चर हे सुनिश्चित करते की बहुतेक फोटॉन शोषण थरात शोषले जातात आणि निर्माण झालेले इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन प्रदेशात इंजेक्ट केले जातात. सिलिकॉनमधील इलेक्ट्रॉनचा आयनीकरण दर छिद्रांपेक्षा जास्त असल्याने, इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन हिमस्खलनाची उच्च शक्यता प्रदान करते. डोपिंग भरपाई हिमस्खलन प्रदेश: बोरॉन आणि फॉस्फरसच्या सतत प्रसार प्रक्रियेचा वापर करून, कमी क्रिस्टल दोषांसह खोल प्रदेशात विद्युत क्षेत्र केंद्रित करण्यासाठी उथळ डोपिंगची भरपाई केली जाते, ज्यामुळे DCR सारख्या आवाजाचे प्रभावीपणे कमी होते.

२. उच्च-कार्यक्षमता रीडआउट सर्किट. ५० व्ही उच्च अॅम्प्लिट्यूड क्वेंचिंग जलद स्थिती संक्रमण; मल्टीमोडल ऑपरेशन: FPGA नियंत्रण क्वेंचिंग आणि रीसेट सिग्नल एकत्र करून, फ्री ऑपरेशन (सिग्नल ट्रिगर), गेटिंग (बाह्य गेट ड्राइव्ह) आणि हायब्रिड मोड्स दरम्यान लवचिक स्विचिंग साध्य केले जाते.

३. उपकरण तयार करणे आणि पॅकेजिंग. SPAD वेफर प्रक्रिया स्वीकारली जाते, ज्यामध्ये बटरफ्लाय पॅकेजचा वापर केला जातो. SPAD AlN कॅरियर सब्सट्रेटशी जोडलेले असते आणि थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC) वर उभ्या पद्धतीने स्थापित केले जाते आणि तापमान नियंत्रण थर्मिस्टरद्वारे साध्य केले जाते. कार्यक्षम जोडणी साध्य करण्यासाठी मल्टीमोड ऑप्टिकल फायबर SPAD केंद्राशी अचूकपणे संरेखित केले जातात.

४. कामगिरी कॅलिब्रेशन. ७८५ एनएम पिकोसेकंद स्पंदित लेसर डायोड (१०० केएचझेड) आणि टाइम-डिजिटल कन्व्हर्टर (टीडीसी, १० पीएस रिझोल्यूशन) वापरून कॅलिब्रेशन केले गेले.

सारांश

SPAD स्ट्रक्चर (जाड जंक्शन, बॅक-इल्युमिनेटेड, डोपिंग कॉम्पेन्सेशन) ऑप्टिमायझेशन करून आणि 50 V क्वेंचिंग सर्किटमध्ये नवीनता आणून, या अभ्यासाने सिलिकॉन-आधारित सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरच्या PDE ला 84.4% च्या नवीन उंचीवर यशस्वीरित्या ढकलले. व्यावसायिक उत्पादनांच्या तुलनेत, त्याची व्यापक कामगिरी लक्षणीयरीत्या वाढवली गेली आहे, ज्यामुळे क्वांटम कम्युनिकेशन, क्वांटम कंप्युटिंग आणि उच्च-संवेदनशीलता इमेजिंग सारख्या अनुप्रयोगांसाठी व्यावहारिक उपाय प्रदान केले गेले आहेत ज्यांना अल्ट्रा-हाय-एफिशियन्सी आणि लवचिक ऑपरेशन आवश्यक आहे. या कामाने सिलिकॉन-आधारितच्या पुढील विकासासाठी एक मजबूत पाया घातला आहे.सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरतंत्रज्ञान.