โฟโตดีเทคเตอร์แบบโฟตอนเดี่ยวได้ก้าวข้ามอุปสรรคด้านประสิทธิภาพ 80% ไปแล้ว
โฟตอนเดี่ยวโฟโตดีเทคเตอร์เนื่องจากมีขนาดกะทัดรัดและต้นทุนต่ำ จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสาขาควอนตัมโฟโตนิกส์และการถ่ายภาพด้วยโฟตอนเดี่ยว แต่ก็ประสบปัญหาข้อจำกัดทางเทคนิคดังต่อไปนี้
ข้อจำกัดทางเทคนิคในปัจจุบัน
1. CMOS และ SPAD แบบรอยต่อบาง: แม้ว่าจะมีการรวมวงจรสูงและความคลาดเคลื่อนของเวลาต่ำ แต่ชั้นดูดซับนั้นบางมาก (เพียงไม่กี่ไมโครเมตร) และประสิทธิภาพการแปลงสัญญาณเป็นแสง (PDE) นั้นมีข้อจำกัดในย่านอินฟราเรดใกล้ โดยมีประสิทธิภาพเพียงประมาณ 32% ที่ 850 นาโนเมตร
2. SPAD แบบรอยต่อหนา: มีชั้นดูดซับที่มีความหนาหลายสิบไมโครเมตร ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์มีประสิทธิภาพการตรวจจับแสง (PDE) ประมาณ 70% ที่ 780 นาโนเมตร แต่การทะลุผ่าน 80% นั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง
3. อ่านข้อจำกัดของวงจร: SPAD แบบรอยต่อหนาต้องการแรงดันไบแอสเกิน 30V เพื่อให้มั่นใจได้ว่ามีโอกาสเกิดการแตกตัวสูง แม้จะมีแรงดันดับ 68V ในวงจรแบบดั้งเดิม ประสิทธิภาพการเกิดการแตกตัว (PDE) ก็เพิ่มขึ้นได้เพียง 75.1% เท่านั้น
สารละลาย
ปรับปรุงโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ของ SPAD ให้เหมาะสม การออกแบบแบบรับแสงจากด้านหลัง: โฟตอนที่ตกกระทบจะสลายตัวแบบเอกซ์โปเนนเชียลในซิลิคอน โครงสร้างแบบรับแสงจากด้านหลังช่วยให้โฟตอนส่วนใหญ่ถูกดูดซับในชั้นดูดซับ และอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจะถูกฉีดเข้าไปในบริเวณที่เกิดการแตกตัวเป็นไอออน เนื่องจากอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนในซิลิคอนสูงกว่าของโฮล การฉีดอิเล็กตรอนจึงมีโอกาสเกิดการแตกตัวเป็นไอออนสูงกว่า บริเวณที่เกิดการแตกตัวเป็นไอออนเพื่อชดเชยการเจือปน: โดยใช้กระบวนการแพร่แบบต่อเนื่องของโบรอนและฟอสฟอรัส การเจือปนตื้นจะถูกชดเชยเพื่อรวมสนามไฟฟ้าในบริเวณลึกที่มีข้อบกพร่องของผลึกน้อยลง ช่วยลดสัญญาณรบกวน เช่น DCR ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. วงจรแสดงผลประสิทธิภาพสูง การดับสัญญาณแอมพลิจูดสูง 50V การเปลี่ยนสถานะอย่างรวดเร็ว การทำงานหลายโหมด: ด้วยการรวมสัญญาณควบคุม QUENCHING และ RESET ของ FPGA ทำให้สามารถสลับระหว่างการทำงานอิสระ (การกระตุ้นด้วยสัญญาณ) การควบคุมเกต (การขับเกตภายนอก) และโหมดไฮบริดได้อย่างยืดหยุ่น
3. การเตรียมและการบรรจุอุปกรณ์ ใช้กระบวนการผลิตเวเฟอร์ SPAD โดยใช้บรรจุภัณฑ์แบบผีเสื้อ SPAD จะถูกเชื่อมติดกับแผ่นรองรับ AlN และติดตั้งในแนวตั้งบนตัวระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (TEC) และควบคุมอุณหภูมิผ่านเทอร์มิสเตอร์ เส้นใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดจะถูกจัดวางอย่างแม่นยำให้ตรงกับศูนย์กลางของ SPAD เพื่อให้เกิดการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพ
4. การสอบเทียบประสิทธิภาพ การสอบเทียบดำเนินการโดยใช้เลเซอร์ไดโอดแบบพัลส์พิโคเซคอนด์ 785 นาโนเมตร (100 kHz) และตัวแปลงเวลาเป็นดิจิทัล (TDC, ความละเอียด 10 พิโคเซคอนด์)
สรุป
ด้วยการปรับโครงสร้าง SPAD ให้เหมาะสม (รอยต่อหนา, ส่องสว่างจากด้านหลัง, การชดเชยการเจือสาร) และการคิดค้นวงจรดับแรงดัน 50 V ใหม่ งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการผลักดันประสิทธิภาพการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว (PDE) ของตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบซิลิคอนให้สูงขึ้นถึง 84.4% เมื่อเทียบกับผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ ประสิทธิภาพโดยรวมได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเป็นแนวทางแก้ไขที่ใช้งานได้จริงสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การสื่อสารควอนตัม การคำนวณควอนตัม และการถ่ายภาพความไวสูง ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษและการทำงานที่ยืดหยุ่น งานวิจัยนี้ได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวแบบซิลิคอนต่อไปเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเทคโนโลยี.
วันที่เผยแพร่: 28 ตุลาคม 2568