સિંગલ-ફોટોન ફોટોડિટેક્ટરે 80% કાર્યક્ષમતા અવરોધને પાર કરી લીધો છે.

સિંગલ-ફોટોન ફોટોડિટેક્ટર80% કાર્યક્ષમતા અવરોધ પાર કર્યો છે

સિંગલ-ફોટોનફોટોડિટેક્ટરતેમના કોમ્પેક્ટ અને ઓછા ખર્ચે ફાયદાઓને કારણે ક્વોન્ટમ ફોટોનિક્સ અને સિંગલ-ફોટોન ઇમેજિંગના ક્ષેત્રોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે, પરંતુ તેમને નીચેની તકનીકી અવરોધોનો સામનો કરવો પડે છે.

વર્તમાન તકનીકી મર્યાદાઓ

1.CMOS અને થિન-જંકશન SPAD: તેમ છતાં તેમની પાસે ઉચ્ચ એકીકરણ અને ઓછો સમયનો ધ્રુજારી છે, શોષણ સ્તર પાતળો છે (થોડા માઇક્રોમીટર), અને PDE નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ ક્ષેત્રમાં મર્યાદિત છે, 850 nm પર માત્ર 32% સાથે.

2. જાડા-જંકશન SPAD: તેમાં દસ માઇક્રોમીટર જાડા શોષણ સ્તર છે. વાણિજ્યિક ઉત્પાદનોમાં 780 nm પર આશરે 70% PDE હોય છે, પરંતુ 80% ને તોડવું અત્યંત પડકારજનક છે.

3. સર્કિટ મર્યાદાઓ વાંચો: જાડા-જંકશન SPAD ને ઉચ્ચ હિમપ્રપાત સંભાવના સુનિશ્ચિત કરવા માટે 30V થી વધુના ઓવરબાયસ વોલ્ટેજની જરૂર પડે છે. પરંપરાગત સર્કિટમાં 68V ના ક્વેન્ચિંગ વોલ્ટેજ સાથે પણ, PDE ફક્ત 75.1% સુધી વધારી શકાય છે.

ઉકેલ

SPAD ની સેમિકન્ડક્ટર રચનાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરો. બેક-ઇલ્યુમિનેટેડ ડિઝાઇન: સિલિકોનમાં ઘટના ફોટોનનો ઘાતાંકીય રીતે ક્ષય થાય છે. બેક-ઇલ્યુમિનેટેડ માળખું ખાતરી કરે છે કે મોટાભાગના ફોટોન શોષણ સ્તરમાં શોષાય છે, અને ઉત્પન્ન થયેલા ઇલેક્ટ્રોન હિમપ્રપાત પ્રદેશમાં ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે. કારણ કે સિલિકોનમાં ઇલેક્ટ્રોનનો આયનીકરણ દર છિદ્રો કરતા વધારે છે, ઇલેક્ટ્રોન ઇન્જેક્શન હિમપ્રપાતની ઉચ્ચ સંભાવના પૂરી પાડે છે. ડોપિંગ વળતર હિમપ્રપાત પ્રદેશ: બોરોન અને ફોસ્ફરસની સતત પ્રસરણ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને, છીછરા ડોપિંગને ઓછા સ્ફટિક ખામીઓ સાથે ઊંડા પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રને કેન્દ્રિત કરવા માટે વળતર આપવામાં આવે છે, જે DCR જેવા અવાજને અસરકારક રીતે ઘટાડે છે.

2. ઉચ્ચ-પ્રદર્શન રીડઆઉટ સર્કિટ. 50V ઉચ્ચ કંપનવિસ્તાર ક્વેન્ચિંગ ઝડપી સ્થિતિ સંક્રમણ; મલ્ટિમોડલ કામગીરી: FPGA નિયંત્રણ ક્વેન્ચિંગ અને રીસેટ સિગ્નલોને જોડીને, ફ્રી ઓપરેશન (સિગ્નલ ટ્રિગર), ગેટિંગ (બાહ્ય GATE ડ્રાઇવ) અને હાઇબ્રિડ મોડ્સ વચ્ચે લવચીક સ્વિચિંગ પ્રાપ્ત થાય છે.

3. ઉપકરણની તૈયારી અને પેકેજિંગ. SPAD વેફર પ્રક્રિયા અપનાવવામાં આવે છે, જેમાં બટરફ્લાય પેકેજનો ઉપયોગ થાય છે. SPAD ને AlN કેરિયર સબસ્ટ્રેટ સાથે જોડવામાં આવે છે અને થર્મોઇલેક્ટ્રિક કુલર (TEC) પર ઊભી રીતે સ્થાપિત કરવામાં આવે છે, અને તાપમાન નિયંત્રણ થર્મિસ્ટર દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. કાર્યક્ષમ જોડાણ પ્રાપ્ત કરવા માટે મલ્ટિમોડ ઓપ્ટિકલ ફાઇબર SPAD કેન્દ્ર સાથે ચોક્કસ રીતે ગોઠવાયેલા હોય છે.

4. પ્રદર્શન માપાંકન. 785 nm પિકોસેકન્ડ પલ્સ્ડ લેસર ડાયોડ (100 kHz) અને ટાઇમ-ડિજિટલ કન્વર્ટર (TDC, 10 ps રિઝોલ્યુશન) નો ઉપયોગ કરીને માપાંકન હાથ ધરવામાં આવ્યું હતું.

સારાંશ

SPAD સ્ટ્રક્ચર (જાડા જંકશન, બેક-ઇલ્યુમિનેટેડ, ડોપિંગ કમ્પેન્સેશન) ને ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને અને 50 V ક્વેન્ચિંગ સર્કિટને નવીન કરીને, આ અભ્યાસે સિલિકોન-આધારિત સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટરના PDE ને સફળતાપૂર્વક 84.4% ની નવી ઊંચાઈ પર ધકેલી દીધું. વાણિજ્યિક ઉત્પાદનોની તુલનામાં, તેનું વ્યાપક પ્રદર્શન નોંધપાત્ર રીતે વધારવામાં આવ્યું છે, જે ક્વોન્ટમ કમ્યુનિકેશન, ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ અને ઉચ્ચ-સંવેદનશીલતા ઇમેજિંગ જેવા એપ્લિકેશનો માટે વ્યવહારુ ઉકેલો પ્રદાન કરે છે જેને અતિ-ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને લવચીક કામગીરીની જરૂર હોય છે. આ કાર્યએ સિલિકોન-આધારિતના વધુ વિકાસ માટે મજબૂત પાયો નાખ્યો છે.સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટરટેકનોલોજી.