Bộ tách sóng quang đơn photonđã vượt qua được nút thắt cổ chai về hiệu suất 80%.
Photon đơnbộ tách sóng quangChúng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang tử lượng tử và chụp ảnh đơn photon nhờ ưu điểm nhỏ gọn và chi phí thấp, nhưng chúng đang phải đối mặt với những trở ngại kỹ thuật sau đây.
Các hạn chế kỹ thuật hiện tại
1. CMOS và SPAD lớp mỏng: Mặc dù có độ tích hợp cao và độ nhiễu thời gian thấp, lớp hấp thụ lại mỏng (vài micromet), và hiệu suất phát quang (PDE) bị hạn chế trong vùng cận hồng ngoại, chỉ đạt khoảng 32% ở bước sóng 850 nm.
2. SPAD lớp tiếp giáp dày: Loại này có lớp hấp thụ dày hàng chục micromet. Các sản phẩm thương mại có hiệu suất phát quang (PDE) khoảng 70% ở bước sóng 780 nm, nhưng việc vượt qua mức 80% là vô cùng khó khăn.
3. Giới hạn của mạch đọc: SPAD có mối nối dày yêu cầu điện áp phân cực trên 30V để đảm bảo xác suất đánh thủng cao. Ngay cả với điện áp dập tắt 68V trong các mạch truyền thống, PDE cũng chỉ có thể tăng lên 75,1%.
Giải pháp
Tối ưu hóa cấu trúc bán dẫn của SPAD. Thiết kế chiếu sáng từ phía sau: Photon tới phân rã theo hàm mũ trong silicon. Cấu trúc chiếu sáng từ phía sau đảm bảo phần lớn photon được hấp thụ trong lớp hấp thụ, và các electron được tạo ra được bơm vào vùng thác. Vì tỷ lệ ion hóa của electron trong silicon cao hơn so với lỗ trống, việc bơm electron mang lại xác suất thác cao hơn. Vùng thác bù pha tạp: Bằng cách sử dụng quy trình khuếch tán liên tục của boron và phốt pho, sự pha tạp nông được bù lại để tập trung điện trường trong vùng sâu với ít khuyết tật tinh thể hơn, giảm thiểu hiệu quả nhiễu như DCR.
2. Mạch đọc tín hiệu hiệu năng cao. Điện áp dập tắt cao 50V. Chuyển đổi trạng thái nhanh; Hoạt động đa chế độ: Bằng cách kết hợp tín hiệu QUENCHING và RESET điều khiển bằng FPGA, có thể chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ hoạt động tự do (kích hoạt tín hiệu), chế độ đóng mở (điều khiển GATE bên ngoài) và chế độ lai.
3. Chuẩn bị và đóng gói thiết bị. Quy trình sản xuất wafer SPAD được áp dụng, với kiểu đóng gói hình cánh bướm. SPAD được gắn kết với chất nền AlN và được lắp đặt theo chiều dọc trên bộ làm mát nhiệt điện (TEC), việc điều khiển nhiệt độ được thực hiện thông qua một điện trở nhiệt. Các sợi quang đa mode được căn chỉnh chính xác với tâm của SPAD để đạt được hiệu quả ghép nối cao.
4. Hiệu chuẩn hiệu năng. Việc hiệu chuẩn được thực hiện bằng cách sử dụng diode laser xung picosecond 785 nm (100 kHz) và bộ chuyển đổi thời gian số (TDC, độ phân giải 10 ps).
Bản tóm tắt
Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc SPAD (mối nối dày, chiếu sáng từ phía sau, bù pha tạp) và cải tiến mạch dập tắt 50 V, nghiên cứu này đã thành công trong việc nâng cao hiệu suất phát hiện photon đơn (PDE) của bộ детектор photon đơn dựa trên silicon lên một tầm cao mới là 84,4%. So với các sản phẩm thương mại, hiệu suất tổng thể của nó đã được cải thiện đáng kể, cung cấp các giải pháp thiết thực cho các ứng dụng như truyền thông lượng tử, điện toán lượng tử và hình ảnh độ nhạy cao, những ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cực cao và hoạt động linh hoạt. Công trình này đã đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển hơn nữa của các thiết bị dựa trên silicon.bộ dò photon đơncông nghệ.
Thời gian đăng bài: 28/10/2025