단일 광자 광 검출기는 80% 효율 병목 현상을 돌파했습니다.

단일 광자 광검출기80% 효율성 병목 현상을 돌파했습니다.

단일 광자광검출기양자 광자학 및 단일 광자 이미징 분야에서 소형 및 저비용의 장점으로 인해 널리 사용되고 있지만 다음과 같은 기술적 병목 현상에 직면해 있습니다.

현재 기술적 한계

1. CMOS 및 박막 접합 SPAD: 높은 통합성과 낮은 타이밍 지터 특성을 가지고 있지만, 흡수층이 얇고(수 마이크로미터) PDE가 근적외선 영역에 국한되어 850nm에서 약 32%에 불과합니다.

2. 두꺼운 접합 SPAD: 수십 마이크로미터 두께의 흡수층을 특징으로 합니다. 상용 제품은 780nm에서 약 70%의 PDE를 가지지만, 80%를 돌파하는 것은 매우 어렵습니다.

3. 판독 회로 한계: 두꺼운 접합 SPAD는 높은 애벌랜치 확률을 보장하기 위해 30V 이상의 과바이어스 전압을 필요로 합니다. 기존 회로에서 68V의 퀀칭 전압을 사용하더라도 PDE는 75.1%까지만 증가할 수 있습니다.

해결책

SPAD의 반도체 구조를 최적화합니다. 후면 조명 설계: 실리콘에서 입사 광자는 기하급수적으로 감소합니다. 후면 조명 구조는 대부분의 광자가 흡수층에 흡수되고, 생성된 전자는 애벌랜치 영역으로 주입되도록 합니다. 실리콘에서 전자의 이온화율이 정공의 이온화율보다 높기 때문에 전자 주입은 애벌랜치 발생 확률을 높입니다. 도핑 보상 애벌랜치 영역: 붕소와 인의 연속 확산 공정을 사용하여 얕은 도핑을 보상하여 결정 결함이 적은 깊은 영역에 전계를 집중시켜 DCR과 같은 잡음을 효과적으로 줄입니다.

2. 고성능 판독 회로. 50V 고진폭 퀀칭 빠른 상태 전환; 다중 모드 동작: FPGA 제어 QUENCHING 및 RESET 신호를 결합하여 자유 동작(신호 트리거), 게이팅(외부 GATE 드라이브) 및 하이브리드 모드 간의 유연한 전환이 달성됩니다.

3. 소자 준비 및 패키징. SPAD 웨이퍼 공정을 채택하고 버터플라이 패키지를 사용합니다. SPAD는 AlN 캐리어 기판에 접합되어 열전 냉각기(TEC)에 수직으로 설치되며, 서미스터를 통해 온도 제어가 이루어집니다. 다중 모드 광섬유는 효율적인 결합을 위해 SPAD 중심에 정밀하게 정렬됩니다.

4. 성능 교정. 교정은 785 nm 피코초 펄스 레이저 다이오드(100 kHz)와 시간-디지털 변환기(TDC, 10 ps 분해능)를 사용하여 수행되었습니다.

요약

본 연구는 SPAD 구조(두꺼운 접합, 후면 조명, 도핑 보상)를 최적화하고 50V 소광 회로를 혁신함으로써 실리콘 기반 단일 광자 검출기의 PDE를 84.4%라는 새로운 수준으로 끌어올리는 데 성공했습니다. 상용 제품과 비교했을 때, 전반적인 성능이 크게 향상되어 초고효율과 유연한 작동을 요구하는 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 고감도 이미징과 같은 응용 분야에 실용적인 솔루션을 제공합니다. 본 연구는 실리콘 기반 단일 광자 검출기의 추가 개발을 위한 탄탄한 기반을 마련했습니다.단일 광자 검출기기술.