एकल-फोटॉन फोटोडिटेक्टर80% दक्षता की बाधा को पार कर लिया है
एकल फोटॉनफोटोडिटेक्टरक्वांटम फोटोनिक्स और सिंगल-फोटॉन इमेजिंग के क्षेत्रों में इनका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, क्योंकि ये आकार में छोटे और कम लागत वाले होते हैं, लेकिन इन्हें निम्नलिखित तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ता है।
वर्तमान तकनीकी सीमाएँ
1. CMOS और थिन-जंक्शन SPAD: हालांकि इनमें उच्च एकीकरण और कम टाइमिंग जिटर होता है, लेकिन अवशोषण परत पतली (कुछ माइक्रोमीटर) होती है, और PDE निकट-अवरक्त क्षेत्र में सीमित होता है, जो 850 nm पर केवल लगभग 32% होता है।
2. थिक-जंक्शन एसपीएडी: इसमें कई माइक्रोमीटर मोटी अवशोषण परत होती है। व्यावसायिक उत्पादों में 780 एनएम पर पीडीई लगभग 70% होता है, लेकिन 80% से अधिक हासिल करना बेहद चुनौतीपूर्ण है।
3. सर्किट की सीमाओं को पढ़ें: मोटे जंक्शन वाले SPAD में उच्च हिमस्खलन संभाव्यता सुनिश्चित करने के लिए 30V से अधिक के ओवरबायस वोल्टेज की आवश्यकता होती है। पारंपरिक सर्किटों में 68V के शमन वोल्टेज के साथ भी, PDE को केवल 75.1% तक ही बढ़ाया जा सकता है।
समाधान
SPAD की अर्धचालक संरचना को अनुकूलित करें। बैक-इल्युमिनेटेड डिज़ाइन: सिलिकॉन में आपतित फोटॉन घातीय रूप से क्षय होते हैं। बैक-इल्युमिनेटेड संरचना यह सुनिश्चित करती है कि अधिकांश फोटॉन अवशोषण परत में अवशोषित हो जाएं, और उत्पन्न इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन क्षेत्र में प्रक्षेपित हों। चूंकि सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉनों की आयनीकरण दर छिद्रों की तुलना में अधिक होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉन प्रक्षेपण हिमस्खलन की उच्च संभावना प्रदान करता है। डोपिंग क्षतिपूर्ति हिमस्खलन क्षेत्र: बोरॉन और फास्फोरस की निरंतर प्रसार प्रक्रिया का उपयोग करके, उथले डोपिंग की क्षतिपूर्ति की जाती है ताकि विद्युत क्षेत्र को कम क्रिस्टल दोषों वाले गहरे क्षेत्र में केंद्रित किया जा सके, जिससे डीसीआर जैसे शोर को प्रभावी ढंग से कम किया जा सके।
2. उच्च-प्रदर्शन रीडआउट सर्किट। 50V उच्च आयाम शमन, तीव्र अवस्था संक्रमण; बहुआयामी संचालन: FPGA नियंत्रण शमन और रीसेट संकेतों को मिलाकर, मुक्त संचालन (सिग्नल ट्रिगर), गेटिंग (बाह्य गेट ड्राइव) और हाइब्रिड मोड के बीच लचीला स्विचिंग प्राप्त किया जाता है।
3. डिवाइस की तैयारी और पैकेजिंग। SPAD वेफर प्रक्रिया को बटरफ्लाई पैकेज के साथ अपनाया गया है। SPAD को AlN कैरियर सबस्ट्रेट से जोड़ा जाता है और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC) पर लंबवत रूप से स्थापित किया जाता है, और तापमान नियंत्रण थर्मिस्टर के माध्यम से किया जाता है। कुशल कपलिंग प्राप्त करने के लिए मल्टीमोड ऑप्टिकल फाइबर को SPAD केंद्र के साथ सटीक रूप से संरेखित किया जाता है।
4. प्रदर्शन अंशांकन। अंशांकन 785 एनएम पिकोसेकंड पल्स लेजर डायोड (100 किलोहर्ट्ज़) और एक टाइम-डिजिटल कनवर्टर (टीडीसी, 10 पीएसएस रिज़ॉल्यूशन) का उपयोग करके किया गया था।
सारांश
SPAD संरचना (मोटा जंक्शन, बैक-इल्युमिनेटेड, डोपिंग कम्पनसेशन) को अनुकूलित करके और 50 V क्वेंचिंग सर्किट में नवाचार करके, इस अध्ययन ने सिलिकॉन-आधारित सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर के PDE को सफलतापूर्वक 84.4% की नई ऊंचाई तक पहुँचाया है। व्यावसायिक उत्पादों की तुलना में, इसके समग्र प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है, जो क्वांटम संचार, क्वांटम कंप्यूटिंग और उच्च-संवेदनशीलता इमेजिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है, जिनके लिए अति-उच्च दक्षता और लचीले संचालन की आवश्यकता होती है। इस कार्य ने सिलिकॉन-आधारित डिटेक्टरों के आगे के विकास के लिए एक ठोस आधार तैयार किया है।एकल-फोटॉन डिटेक्टरतकनीकी।
पोस्ट करने का समय: 28 अक्टूबर 2025