גלאי פוטו חד-פוטוני פרץ את צוואר הבקבוק של 80% יעילות

גלאי פוטו-פוטון יחידפרצו את צוואר הבקבוק של 80% יעילות

פוטון יחידגלאי אורנמצאים בשימוש נרחב בתחומי הפוטוניקה הקוונטית וההדמיה של פוטון יחיד בשל יתרונותיהם הקומפקטיים והעלות הנמוכה, אך הם מתמודדים עם צווארי בקבוק טכניים הבאים.

מגבלות טכניות נוכחיות

1. CMOS ו-SPAD בצומת דק: למרות שיש להם אינטגרציה גבוהה וריצוד תזמון נמוך, שכבת הקליטה דקה (כמה מיקרומטרים), וה-PDE מוגבל באזור הקרוב לאינפרא אדום, עם כ-32% בלבד ב-850 ננומטר.

2. SPAD בעל צומת עבה: הוא כולל שכבת ספיגה בעובי של עשרות מיקרומטרים. למוצרים מסחריים יש PDE של כ-70% ב-780 ננומטר, אך פריצה של 80% היא מאתגרת ביותר.

3. קריאת מגבלות המעגל: SPAD בצומת עבה דורש מתח הטיה יתר של מעל 30 וולט כדי להבטיח הסתברות גבוהה למפולת שלגים. אפילו עם מתח כיבוי של 68 וולט במעגלים מסורתיים, ניתן להגדיל את ה-PDE רק ל-75.1%.

פִּתָרוֹן

אופטימיזציה של מבנה המוליך למחצה של SPAD. תכנון תאורה אחורית: פוטונים פוגעים דועכים באופן אקספוננציאלי בסיליקון. המבנה התאורה האחורית מבטיח שרוב הפוטונים נספגים בשכבת הקליטה, והאלקטרונים שנוצרים מוזרקים לאזור המפולת. מכיוון שקצב היינון של אלקטרונים בסיליקון גבוה מזה של חורים, הזרקת אלקטרונים מספקת הסתברות גבוהה יותר למפולת. אזור פיצוי סימום: באמצעות תהליך דיפוזיה רציף של בורון וזרחן, הסימום הרדוד מפצה כדי לרכז את השדה החשמלי באזור העמוק עם פחות פגמי גביש, ובכך להפחית ביעילות רעשים כמו DCR.

2. מעגל קריאת נתונים בעל ביצועים גבוהים. כיבוי משרעת גבוהה של 50V מעבר מצב מהיר; פעולה רב-מודאלית: על ידי שילוב אותות כיבוי ואיפוס של בקרת FPGA, מושגת מיתוג גמיש בין פעולה חופשית (טריגר אות), שער (הנעת שער חיצונית) ומצבים היברידיים.

3. הכנת ואריזה של המכשיר. תהליך פרוסת ה-SPAD מאומץ, עם מארז פרפר. ה-SPAD מחובר למצע נשא AlN ומותקן אנכית על גבי המצנן התרמואלקטרי (TEC), ובקרת הטמפרטורה מושגת באמצעות תרמיסטור. סיבים אופטיים מרובי-מודים מיושרים במדויק עם מרכז ה-SPAD כדי להשיג צימוד יעיל.

4. כיול ביצועים. הכיול בוצע באמצעות דיודת לייזר פולס של 785 ננומטר בפיקו-שניות (100 קילו-הרץ) וממיר זמן-דיגיטלי (TDC, רזולוציה של 10 פיקו-שניות).

תַקצִיר

על ידי אופטימיזציה של מבנה ה-SPAD (צומת עבה, תאורה אחורית, פיצוי סימום) וחידוש במעגל הכיבוי של 50 וולט, מחקר זה דחף בהצלחה את ה-PDE של גלאי הפוטון הבודד מבוסס סיליקון לגובה חדש של 84.4%. בהשוואה למוצרים מסחריים, הביצועים המקיפים שלו שופרו משמעותית, ומספקים פתרונות מעשיים ליישומים כגון תקשורת קוונטית, מחשוב קוונטי והדמיה בעלת רגישות גבוהה הדורשים יעילות גבוהה במיוחד ותפעול גמיש. עבודה זו הניחה בסיס איתן לפיתוח נוסף של גלאי פוטון יחיד מבוסס סיליקון.גלאי פוטון יחידטֶכנוֹלוֹגִיָה.