เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวได้ทะลุผ่านจุดคอขวดของประสิทธิภาพ 80%
โฟตอนเดี่ยวเครื่องตรวจจับภาพถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาของโฟตอนิกส์ควอนตัมและการถ่ายภาพโฟตอนเดี่ยวเนื่องจากมีขนาดกะทัดรัดและมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนต่ำ แต่ก็เผชิญกับปัญหาคอขวดทางเทคนิคดังต่อไปนี้
ข้อจำกัดทางเทคนิคในปัจจุบัน
1.CMOS และ SPAD แบบจุดต่อบาง: แม้ว่าจะมีการผสานรวมสูงและความสั่นไหวของเวลาต่ำ แต่ชั้นการดูดกลืนก็บาง (ไม่กี่ไมโครเมตร) และ PDE ก็มีข้อจำกัดในช่วงอินฟราเรดใกล้ โดยมีเพียงประมาณ 32% ที่ 850 นาโนเมตรเท่านั้น
2. SPAD แบบจุดต่อหนา: มีชั้นดูดซับแสงหนาหลายสิบไมโครเมตร ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์มีค่า PDE ประมาณ 70% ที่ 780 นาโนเมตร แต่การทะลุผ่าน 80% ถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง
3. ข้อจำกัดของวงจรอ่านค่า: SPAD แบบจุดต่อหนาต้องการแรงดันไบอัสเกิน 30V เพื่อให้มั่นใจว่ามีโอกาสเกิดหิมะถล่มสูง แม้ว่าในวงจรทั่วไปจะมีแรงดันดับที่ 68V แต่ PDE สามารถเพิ่มได้เพียง 75.1% เท่านั้น
สารละลาย
ปรับปรุงโครงสร้างสารกึ่งตัวนำของ SPAD ให้เหมาะสมที่สุด การออกแบบแบบส่องสว่างด้านหลัง: โฟตอนตกกระทบจะสลายตัวแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลในซิลิคอน โครงสร้างแบบส่องสว่างด้านหลังช่วยให้มั่นใจได้ว่าโฟตอนส่วนใหญ่จะถูกดูดซับในชั้นดูดซับ และอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณหิมะถล่ม เนื่องจากอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนในซิลิคอนสูงกว่าของโฮล การฉีดอิเล็กตรอนจึงทำให้เกิดความน่าจะเป็นของหิมะถล่มสูงขึ้น การชดเชยการเจือปนในบริเวณหิมะถล่ม: ด้วยการใช้กระบวนการแพร่แบบต่อเนื่องของโบรอนและฟอสฟอรัส การเจือปนในระดับตื้นจะถูกชดเชยเพื่อรวมสนามไฟฟ้าในบริเวณลึกให้มีข้อบกพร่องของผลึกน้อยลง ช่วยลดสัญญาณรบกวน เช่น DCR ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. วงจรอ่านค่าประสิทธิภาพสูง การดับแอมพลิจูดสูง 50V การเปลี่ยนสถานะรวดเร็ว การทำงานหลายโหมด: ด้วยการรวมสัญญาณควบคุม FPGA ดับและรีเซ็ต ทำให้สามารถสลับระหว่างการทำงานอิสระ (ทริกเกอร์สัญญาณ) การเกต (ไดรฟ์เกตภายนอก) และโหมดไฮบริดได้อย่างยืดหยุ่น
3. การเตรียมและบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ ใช้กระบวนการเวเฟอร์ SPAD พร้อมแพ็คเกจแบบปีกผีเสื้อ SPAD จะถูกยึดติดกับแผ่นรองรับ AlN และติดตั้งในแนวตั้งบนตัวระบายความร้อนเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC) และควบคุมอุณหภูมิโดยใช้เทอร์มิสเตอร์ เส้นใยนำแสงแบบหลายโหมดถูกจัดวางให้ตรงกับศูนย์กลาง SPAD อย่างแม่นยำเพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพ
4. การสอบเทียบประสิทธิภาพ การสอบเทียบดำเนินการโดยใช้ไดโอดเลเซอร์พัลส์พิโคเซคันด์ 785 นาโนเมตร (100 kHz) และตัวแปลงเวลาดิจิทัล (TDC ความละเอียด 10 ps)
สรุป
ด้วยการปรับปรุงโครงสร้าง SPAD (รอยต่อหนา, ส่องสว่างจากด้านหลัง, การชดเชยการเจือปน) และนวัตกรรมวงจรดับไฟ 50 โวลต์ การศึกษานี้ประสบความสำเร็จในการผลักดันค่า PDE ของเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่ใช้ซิลิคอนให้สูงขึ้นถึง 84.4% เมื่อเปรียบเทียบกับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ ประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของเครื่องตรวจจับนี้ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ มอบโซลูชันที่ใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การสื่อสารควอนตัม การประมวลผลควอนตัม และการถ่ายภาพความไวสูงที่ต้องการประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษและการทำงานที่ยืดหยุ่น งานวิจัยนี้ได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาเครื่องตรวจจับที่ใช้ซิลิคอนต่อไปเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเทคโนโลยี.
เวลาโพสต์: 28 ต.ค. 2568