Einzelphotonen-Photodetektorhaben den 80%-Effizienzengpass durchbrochen
EinzelphotonenFotodetektorAufgrund ihrer kompakten Bauweise und der geringen Kosten werden sie in der Quantenphotonik und der Einzelphotonen-Bildgebung häufig eingesetzt, stehen jedoch vor folgenden technischen Herausforderungen.
Aktuelle technische Beschränkungen
1. CMOS- und Dünnschicht-SPADs: Obwohl sie eine hohe Integration und einen geringen Timing-Jitter aufweisen, ist die Absorptionsschicht dünn (einige Mikrometer), und die PDE ist im Nahinfrarotbereich begrenzt, mit nur etwa 32 % bei 850 nm.
2. Dickschicht-SPAD: Diese Bauelemente zeichnen sich durch eine Absorptionsschicht von mehreren zehn Mikrometern Dicke aus. Kommerzielle Produkte erreichen eine Photonendetektionseffizienz (PDE) von ca. 70 % bei 780 nm, die Überschreitung von 80 % stellt jedoch eine große Herausforderung dar.
3. Schaltungsgrenzen auslesen: Dickschicht-SPADs benötigen eine Überspannung von über 30 V, um eine hohe Lawinenwahrscheinlichkeit zu gewährleisten. Selbst mit einer Löschspannung von 68 V in herkömmlichen Schaltungen kann die PDE nur auf 75,1 % erhöht werden.
Lösung
Optimierung der Halbleiterstruktur von SPAD. Rückseitig beleuchtetes Design: Einfallende Photonen zerfallen in Silizium exponentiell. Die rückseitige Beleuchtung gewährleistet, dass der Großteil der Photonen in der Absorptionsschicht absorbiert und die erzeugten Elektronen in die Lawinenregion injiziert werden. Da die Ionisierungsrate von Elektronen in Silizium höher ist als die von Löchern, erhöht die Elektroneninjektion die Wahrscheinlichkeit einer Lawinenbildung. Kompensation der Dotierung in der Lawinenregion: Durch kontinuierliche Diffusion von Bor und Phosphor wird die oberflächliche Dotierung kompensiert, um das elektrische Feld in tieferen Bereichen mit weniger Kristallfehlern zu konzentrieren und so Rauschen wie den Gleichstromwiderstand (DCR) effektiv zu reduzieren.
2. Hochleistungsfähige Ausleseschaltung. 50-V-Hochamplitudenlöschung. Schneller Zustandsübergang; Multimodaler Betrieb: Durch die Kombination von FPGA-gesteuerten QUENCHING- und RESET-Signalen wird ein flexibles Umschalten zwischen freiem Betrieb (Signaltriggerung), Gate-Betrieb (externer GATE-Ansteuerprozess) und Hybridmodi erreicht.
3. Geräteherstellung und -verpackung. Es wird das SPAD-Wafer-Verfahren mit Butterfly-Gehäuse angewendet. Das SPAD wird auf das AlN-Trägersubstrat gebondet und vertikal auf dem thermoelektrischen Kühler (TEC) montiert. Die Temperaturregelung erfolgt über einen Thermistor. Multimode-Lichtwellenleiter werden präzise auf die SPAD-Mitte ausgerichtet, um eine effiziente Kopplung zu gewährleisten.
4. Leistungskalibrierung. Die Kalibrierung wurde mit einer 785 nm Pikosekunden-Pulslaserdiode (100 kHz) und einem Zeit-Digital-Wandler (TDC, 10 ps Auflösung) durchgeführt.
Zusammenfassung
Durch die Optimierung der SPAD-Struktur (dicke pn-Übergangsschicht, rückseitig beleuchtet, Dotierungskompensation) und die Innovation der 50-V-Löschschaltung konnte in dieser Studie die Photonendetektionseffizienz (PDE) des siliziumbasierten Einzelphotonendetektors auf einen neuen Höchstwert von 84,4 % gesteigert werden. Im Vergleich zu kommerziellen Produkten wurde die Gesamtleistung signifikant verbessert, wodurch sich praktische Lösungen für Anwendungen wie Quantenkommunikation, Quantencomputing und hochempfindliche Bildgebung ergeben, die höchste Effizienz und flexible Betriebsweise erfordern. Diese Arbeit legt ein solides Fundament für die Weiterentwicklung siliziumbasierter Detektoren.EinzelphotonendetektorTechnologie.
Veröffentlichungsdatum: 28. Oktober 2025