كاشف ضوئي أحادي الفوتونلقد تمكنوا من اختراق عنق الزجاجة الذي يبلغ 80% من الكفاءة
فوتون واحدكاشف ضوئيتُستخدم على نطاق واسع في مجالات الفوتونيات الكمومية وتصوير الفوتون الفردي نظرًا لمزاياها المدمجة ومنخفضة التكلفة، ولكنها تواجه الاختناقات الفنية التالية.
القيود التقنية الحالية
1. CMOS و SPAD ذو الوصلة الرقيقة: على الرغم من أن لديهما تكاملًا عاليًا وتذبذبًا زمنيًا منخفضًا، فإن طبقة الامتصاص رقيقة (بضعة ميكرومتر)، وPDE محدود في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، مع حوالي 32% فقط عند 850 نانومتر.
٢. SPAD ذو الوصلة السميكة: يتميز بطبقة امتصاص بسمك عشرات الميكرومترات. تبلغ قيمة PDE للمنتجات التجارية حوالي ٧٠٪ عند ٧٨٠ نانومتر، ولكن اختراق ٨٠٪ منها يمثل تحديًا كبيرًا.
٣. حدود دائرة القراءة: يتطلب مُحسِّن SPAD ذو الوصلة السميكة جهد انحياز زائد يزيد عن ٣٠ فولت لضمان احتمالية عالية لحدوث انهيار. حتى مع جهد إخماد ٦٨ فولت في الدوائر التقليدية، لا يمكن زيادة مُحسِّن PDE إلا إلى ٧٥.١٪.
حل
تحسين بنية أشباه الموصلات لـ SPAD. تصميم مُضاء من الخلف: تتلاشى الفوتونات الساقطة بشكل كبير في السيليكون. يضمن هذا الهيكل المُضاء من الخلف امتصاص معظم الفوتونات في طبقة الامتصاص، وحقن الإلكترونات المُولّدة في منطقة الانهيار. ولأن معدل تأين الإلكترونات في السيليكون أعلى من معدل تأين الثقوب، فإن حقن الإلكترونات يوفر احتمالية أكبر لحدوث الانهيار. منطقة انهيار تعويض التشويب: باستخدام عملية الانتشار المستمر للبورون والفوسفور، يتم تعويض التشويب السطحي لتركيز المجال الكهربائي في المنطقة العميقة مع تقليل عيوب البلورة، مما يقلل بشكل فعال من الضوضاء مثل DCR.
2. دائرة قراءة عالية الأداء. إخماد عالي السعة 50 فولت انتقال سريع للحالة؛ تشغيل متعدد الوسائط: من خلال الجمع بين إشارات التحكم FPGA QUENCHING وRESET، يتم تحقيق التبديل المرن بين التشغيل الحر (مشغل الإشارة) والبوابة (محرك GATE الخارجي) والأوضاع الهجينة.
٣. تحضير الجهاز وتعبئته. تم اعتماد عملية رقاقة SPAD، مع تغليف فراشة. تُلصق رقاقة SPAD بركيزة ناقلة من AlN، وتُركّب عموديًا على المبرد الحراري الكهربائي (TEC)، ويتم التحكم في درجة الحرارة بواسطة مقاوم حراري. تُحاذى الألياف الضوئية متعددة الأوضاع بدقة مع مركز رقاقة SPAD لتحقيق اقتران فعال.
٤. معايرة الأداء. أُجريت المعايرة باستخدام ثنائي ليزر نبضي بطول موجة ٧٨٥ نانومتر بيكو ثانية (١٠٠ كيلو هرتز) ومحوّل زمني رقمي (TDC، دقة ١٠ بيكو ثانية).
ملخص
من خلال تحسين بنية SPAD (وصلة سميكة، مضاءة من الخلف، تعويض التشويب) وابتكار دائرة إخماد 50 فولت، نجحت هذه الدراسة في رفع كفاءة التفاضل الجزئي (PDE) لكاشف الفوتون الواحد القائم على السيليكون إلى مستوى جديد بلغ 84.4%. وبالمقارنة مع المنتجات التجارية، فقد تحسن أداؤه الشامل بشكل ملحوظ، مما يوفر حلولاً عملية لتطبيقات مثل الاتصالات الكمومية، والحوسبة الكمومية، والتصوير عالي الحساسية التي تتطلب كفاءة فائقة ومرونة في التشغيل. وقد أرسى هذا العمل أساسًا متينًا لمزيد من تطوير الكاشفات القائمة على السيليكون.كاشف الفوتون الفرديتكنولوجيا.
وقت النشر: ٢٨ أكتوبر ٢٠٢٥