Bộ tách sóng quang đơn photonđã vượt qua được nút thắt hiệu suất 80%
Photon đơnmáy dò quangđược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang tử lượng tử và hình ảnh photon đơn do ưu điểm nhỏ gọn và chi phí thấp, nhưng chúng gặp phải những hạn chế kỹ thuật sau.
Những hạn chế kỹ thuật hiện tại
1.CMOS và SPAD tiếp giáp mỏng: Mặc dù có độ tích hợp cao và độ nhiễu thời gian thấp, nhưng lớp hấp thụ lại mỏng (vài micromet) và PDE bị giới hạn ở vùng gần hồng ngoại, chỉ khoảng 32% ở bước sóng 850 nm.
2. SPAD nối dày: Lớp hấp thụ này dày hàng chục micromet. Các sản phẩm thương mại có PDE khoảng 70% ở 780 nm, nhưng việc vượt qua 80% là cực kỳ khó khăn.
3. Đọc các hạn chế của mạch: SPAD nối dày yêu cầu điện áp quá áp trên 30V để đảm bảo xác suất lở tuyết cao. Ngay cả với điện áp dập tắt 68V trong các mạch truyền thống, PDE chỉ có thể tăng lên 75,1%.
Giải pháp
Tối ưu hóa cấu trúc bán dẫn của SPAD. Thiết kế chiếu sáng ngược: Các photon tới phân rã theo hàm mũ trong silicon. Cấu trúc chiếu sáng ngược đảm bảo phần lớn photon được hấp thụ trong lớp hấp thụ, và các electron được tạo ra được đưa vào vùng tuyết lở. Do tốc độ ion hóa của electron trong silicon cao hơn tốc độ ion hóa của lỗ trống, việc đưa electron vào vùng tuyết lở mang lại xác suất tuyết lở cao hơn. Vùng tuyết lở bù pha tạp: Bằng cách sử dụng quá trình khuếch tán liên tục của boron và phốt pho, pha tạp nông được bù trừ để tập trung điện trường vào vùng sâu với ít khuyết tật tinh thể hơn, giúp giảm thiểu nhiễu như DCR một cách hiệu quả.
2. Mạch đọc hiệu suất cao. Làm nguội biên độ cao 50V Chuyển đổi trạng thái nhanh; Hoạt động đa phương thức: Bằng cách kết hợp các tín hiệu QUENCHING và RESET điều khiển FPGA, có thể chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ hoạt động tự do (kích hoạt tín hiệu), gating (điều khiển GATE bên ngoài) và chế độ kết hợp.
3. Chuẩn bị và đóng gói thiết bị. Áp dụng quy trình wafer SPAD với gói cánh bướm. SPAD được liên kết với đế mang AlN và được lắp đặt thẳng đứng trên bộ làm mát nhiệt điện (TEC), và nhiệt độ được kiểm soát thông qua nhiệt điện trở. Sợi quang đa mode được căn chỉnh chính xác với tâm SPAD để đạt được hiệu quả ghép nối.
4. Hiệu chuẩn hiệu suất. Hiệu chuẩn được thực hiện bằng diode laser xung pico giây 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 (giao thoa dày, chiếu sáng ngược, bù trừ doping) và cải tiến mạch dập tắt 50 V, nghiên cứu này đã thành công trong việc nâng cao hiệu suất phát hiện (PDE) của đầu dò đơn photon nền silicon lên một tầm cao mới là 84,4%. So với các sản phẩm thương mại, hiệu suất toàn diện 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 đòi hỏi hiệu suất cực cao và vận hành linh hoạt. Công trình này đã đặt nền tảng vững chắc cho sự phát triển tiếp theo của các cảm biến nền silicon.máy dò photon đơncông nghệ.
Thời gian đăng: 28-10-2025