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

एकल-फोटॉन फोटोडिटेक्टर८०% कार्यक्षमतेचा अडथळा पार केला आहे.

एकल-फोटॉनफोटोडिटेक्टरत्यांच्या संक्षिप्त आणि कमी किमतीच्या फायद्यांमुळे क्वांटम फोटोनिक्स आणि सिंगल-फोटॉन इमेजिंगच्या क्षेत्रात त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो, परंतु त्यांना खालील तांत्रिक अडचणींचा सामना करावा लागतो.

सध्याच्या तांत्रिक मर्यादा

१. CMOS आणि थिन-जंक्शन SPAD: जरी त्यांच्यामध्ये उच्च एकात्मता आणि कमी टाइमिंग जिटर असले तरी, शोषण थर पातळ (काही मायक्रोमीटर) असतो, आणि PDE जवळच्या-अवरक्त प्रदेशात मर्यादित आहे, ८५० nm वर फक्त सुमारे ३२% आहे.

२. थिक-जंक्शन SPAD: यात अनेक मायक्रोमीटर जाडीचा एक शोषण थर असतो. व्यावसायिक उत्पादनांची ७८० nm वर PDE अंदाजे ७०% असते, परंतु ८०% चा टप्पा ओलांडणे अत्यंत आव्हानात्मक आहे.

३. रीड आउट सर्किटच्या मर्यादा: उच्च अव्हॅलेंच संभाव्यता सुनिश्चित करण्यासाठी थिक-जंक्शन SPAD ला ३०V पेक्षा जास्त ओव्हरबायस व्होल्टेजची आवश्यकता असते. पारंपारिक सर्किट्समध्ये ६८V च्या क्वेंचिंग व्होल्टेजसह देखील, PDE केवळ ७५.१% पर्यंत वाढवता येते.

उपाय

SPAD च्या सेमीकंडक्टर संरचनेचे अनुकूलन करा. बॅक-इल्यूमिनेटेड डिझाइन: सिलिकॉनमध्ये आपाती फोटॉन घातांकी पद्धतीने क्षीण होतात. बॅक-इल्यूमिनेटेड संरचना हे सुनिश्चित करते की बहुतेक फोटॉन शोषण थरात शोषले जातात आणि निर्माण झालेले इलेक्ट्रॉन अव्हॅलेंच प्रदेशात इंजेक्ट केले जातात. सिलिकॉनमध्ये इलेक्ट्रॉनचा आयनीकरण दर होलपेक्षा जास्त असल्यामुळे, इलेक्ट्रॉन इंजेक्शनमुळे अव्हॅलेंचची अधिक शक्यता निर्माण होते. डोपिंग भरपाई अव्हॅलेंच प्रदेश: बोरॉन आणि फॉस्फरसच्या सतत विसरण प्रक्रियेचा वापर करून, उथळ डोपिंगची भरपाई केली जाते, ज्यामुळे कमी क्रिस्टल दोष असलेल्या खोल प्रदेशात विद्युत क्षेत्र केंद्रित होते आणि DCR सारखा नॉईज प्रभावीपणे कमी होतो.

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

३. डिव्हाइसची तयारी आणि पॅकेजिंग. बटरफ्लाय पॅकेजसह SPAD वेफर प्रक्रिया वापरली जाते. SPAD ला AlN कॅरियर सबस्ट्रेटला जोडले जाते आणि थर्मोइलेक्ट्रिक कूलरवर (TEC) उभे स्थापित केले जाते, आणि थर्मिस्टरद्वारे तापमान नियंत्रण साधले जाते. कार्यक्षम कपलिंग साध्य करण्यासाठी मल्टीमोड ऑप्टिकल फायबर SPAD च्या केंद्राशी अचूकपणे संरेखित केले जातात.

4. कार्यप्रदर्शन कॅलिब्रेशन. 785 nm पिकोसेकंद पल्स्ड लेसर डायोड (100 kHz) आणि टाइम-डिजिटल कन्व्हर्टर (TDC, 10 ps रिझोल्यूशन) वापरून कॅलिब्रेशन केले गेले.

सारांश

SPAD संरचनेचे (जाड जंक्शन, बॅक-इल्यूमिनेटेड, डोपिंग कॉम्पेन्सेशन) ऑप्टिमायझेशन करून आणि ५० V क्वेंचिंग सर्किटमध्ये नावीन्य आणून, या अभ्यासाने सिलिकॉन-आधारित सिंगल-फोटॉन डिटेक्टरची PDE यशस्वीरित्या ८४.४% च्या नव्या उंचीवर नेली आहे. व्यावसायिक उत्पादनांच्या तुलनेत, त्याची सर्वसमावेशक कामगिरी लक्षणीयरीत्या वाढली आहे, ज्यामुळे क्वांटम कम्युनिकेशन, क्वांटम कम्प्युटिंग आणि उच्च-संवेदनशीलता इमेजिंग यांसारख्या अनुप्रयोगांसाठी व्यावहारिक उपाय उपलब्ध झाले आहेत, ज्यांना अत्यंत उच्च कार्यक्षमता आणि लवचिक कार्यप्रणालीची आवश्यकता असते. या कार्यामुळे सिलिकॉन-आधारित उपकरणांच्या पुढील विकासासाठी एक भक्कम पाया घातला गेला आहे.एकल-फोटॉन डिटेक्टरतंत्रज्ञान.