एकल-फोटॉन फोटोडिटेक्टर80% दक्षता की बाधा को पार कर लिया है
एकल फोटॉनफोटोडिटेक्टरक्वांटम फोटोनिक्स और सिंगल-फोटॉन इमेजिंग के क्षेत्र में उनके कॉम्पैक्ट और कम लागत वाले लाभों के कारण व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन उन्हें निम्नलिखित तकनीकी बाधाओं का सामना करना पड़ता है।
वर्तमान तकनीकी सीमाएँ
1. सीएमओएस और पतली-जंक्शन एसपीएडी: यद्यपि इनमें उच्च एकीकरण और कम समयबद्ध कंपन होता है, अवशोषण परत पतली होती है (कुछ माइक्रोमीटर), और पीडीई निकट-अवरक्त क्षेत्र में सीमित होती है, जो 850 एनएम पर केवल 32% होती है।
2. मोटा-जंक्शन SPAD: इसमें दसियों माइक्रोमीटर मोटी एक अवशोषण परत होती है। व्यावसायिक उत्पादों का PDE 780 nm पर लगभग 70% होता है, लेकिन 80% को पार करना बेहद चुनौतीपूर्ण होता है।
3. सर्किट की सीमाएँ पढ़ें: मोटे-जंक्शन SPAD को उच्च हिमस्खलन संभावना सुनिश्चित करने के लिए 30V से अधिक के ओवरबायस वोल्टेज की आवश्यकता होती है। पारंपरिक सर्किट में 68V के शमन वोल्टेज के साथ भी, PDE को केवल 75.1% तक ही बढ़ाया जा सकता है।
समाधान
SPAD की अर्धचालक संरचना का अनुकूलन करें। पश्च-प्रदीप्त डिज़ाइन: सिलिकॉन में आपतित फोटॉन घातांकीय रूप से क्षय होते हैं। पश्च-प्रदीप्त संरचना यह सुनिश्चित करती है कि अधिकांश फोटॉन अवशोषण परत में अवशोषित हो जाएँ, और उत्पन्न इलेक्ट्रॉन हिमस्खलन क्षेत्र में अंतःक्षिप्त हो जाएँ। चूँकि सिलिकॉन में इलेक्ट्रॉनों की आयनीकरण दर छिद्रों की तुलना में अधिक होती है, इसलिए इलेक्ट्रॉन अंतःक्षेपण हिमस्खलन की अधिक संभावना प्रदान करता है। अपमिश्रण प्रतिपूरण हिमस्खलन क्षेत्र: बोरॉन और फॉस्फोरस की निरंतर विसरण प्रक्रिया का उपयोग करके, उथले अपमिश्रण की प्रतिपूरण करके विद्युत क्षेत्र को कम क्रिस्टल दोषों वाले गहरे क्षेत्र में केंद्रित किया जाता है, जिससे DCR जैसे शोर को प्रभावी ढंग से कम किया जाता है।
2. उच्च प्रदर्शन रीडआउट सर्किट। 50V उच्च आयाम शमन तेज राज्य संक्रमण; मल्टीमॉडल ऑपरेशन: FPGA नियंत्रण QUENCHING और RESET सिग्नल के संयोजन से, मुक्त संचालन (सिग्नल ट्रिगर), गेटिंग (बाहरी GATE ड्राइव), और हाइब्रिड मोड के बीच लचीला स्विचिंग प्राप्त किया जाता है।
3. उपकरण तैयार करना और पैकेजिंग। SPAD वेफर प्रक्रिया को बटरफ्लाई पैकेज के साथ अपनाया जाता है। SPAD को AlN वाहक सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC) पर लंबवत रूप से स्थापित किया जाता है, और तापमान नियंत्रण एक थर्मिस्टर के माध्यम से किया जाता है। कुशल युग्मन 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 स्पंदित लेजर डायोड (100 kHz) और एक समय-डिजिटल कनवर्टर (TDC, 10 ps रिज़ॉल्यूशन) का उपयोग करके किया गया था।
सारांश
SPAD संरचना (मोटी जंक्शन, बैक-इल्युमिनेटेड, डोपिंग क्षतिपूर्ति) को अनुकूलित करके और 50 V क्वेंचिंग सर्किट में नवाचार करके, इस अध्ययन ने सिलिकॉन-आधारित सिंगल-फ़ोटॉन डिटेक्टर के PDE को 84.4% की नई ऊँचाई तक सफलतापूर्वक पहुँचाया है। व्यावसायिक उत्पादों की तुलना में, इसके व्यापक प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है, जिससे क्वांटम संचार, क्वांटम कंप्यूटिंग और उच्च-संवेदनशीलता इमेजिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक समाधान उपलब्ध हुए हैं, जिनके लिए अति-उच्च दक्षता और लचीले संचालन की आवश्यकता होती है। इस कार्य ने सिलिकॉन-आधारित के आगे के विकास के लिए एक ठोस आधार तैयार किया है।एकल-फोटॉन डिटेक्टरतकनीकी।
पोस्ट करने का समय: 28-अक्टूबर-2025