كاشف ضوئي أحادي الفوتونلقد تجاوزوا عنق الزجاجة الذي كان يمثل 80% من الكفاءة
الفوتون الواحدكاشف ضوئيتُستخدم على نطاق واسع في مجالات الفوتونيات الكمومية والتصوير أحادي الفوتون نظرًا لمزاياها المدمجة ومنخفضة التكلفة، ولكنها تواجه المعوقات التقنية التالية.
القيود التقنية الحالية
1. CMOS و SPAD ذو الوصلة الرقيقة: على الرغم من أنها تتمتع بتكامل عالٍ واضطراب زمني منخفض، إلا أن طبقة الامتصاص رقيقة (بضعة ميكرومترات)، و PDE محدود في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة، حيث تبلغ حوالي 32٪ فقط عند 850 نانومتر.
2. كاشف ضوئي أحادي الفوتون ذو الوصلة السميكة: يتميز بطبقة امتصاص يبلغ سمكها عشرات الميكرومترات. تتمتع المنتجات التجارية بكفاءة كشف ضوئي تبلغ حوالي 70% عند 780 نانومتر، لكن تجاوز 80% يُعدّ تحديًا كبيرًا.
3. قيود دائرة القراءة: يتطلب الصمام الثنائي الضوئي ذو الوصلة السميكة جهد انحياز زائد يزيد عن 30 فولت لضمان احتمالية عالية لحدوث انهيار جليدي. حتى مع جهد إخماد يبلغ 68 فولت في الدوائر التقليدية، لا يمكن زيادة كفاءة الكشف الضوئي إلا إلى 75.1%.
حل
تحسين بنية أشباه الموصلات في كاشف الفوتونات أحادي الفوتون (SPAD). تصميم الإضاءة الخلفية: تتلاشى الفوتونات الساقطة أُسّيًا في السيليكون. يضمن تصميم الإضاءة الخلفية امتصاص معظم الفوتونات في طبقة الامتصاص، وحقن الإلكترونات المتولدة في منطقة الانهيار. ولأن معدل تأين الإلكترونات في السيليكون أعلى من معدل تأين الفجوات، فإن حقن الإلكترونات يزيد من احتمالية حدوث الانهيار. تعويض منطقة الانهيار بالتطعيم: باستخدام عملية الانتشار المستمر للبورون والفوسفور، يتم تعويض التطعيم السطحي لتركيز المجال الكهربائي في المنطقة العميقة ذات العيوب البلورية الأقل، مما يقلل بشكل فعال من التشويش مثل معدل العد المظلم (DCR).
2. دائرة قراءة عالية الأداء. إخماد عالي السعة 50 فولت، انتقال سريع للحالة؛ تشغيل متعدد الأوضاع: من خلال الجمع بين إشارات التحكم FPGA QUENCHING وRESET، يتم تحقيق التبديل المرن بين التشغيل الحر (تشغيل الإشارة)، والبوابة (محرك بوابة خارجي)، والأوضاع الهجينة.
3. تحضير الجهاز وتغليفه. تم اعتماد عملية تصنيع رقاقة SPAD، باستخدام غلاف فراشة. تم ربط SPAD بركيزة حاملة من نيتريد الألومنيوم (AlN) وتثبيته عموديًا على المبرد الكهروحراري (TEC)، ويتم التحكم في درجة الحرارة باستخدام مقاوم حراري. تم محاذاة الألياف الضوئية متعددة الأنماط بدقة مع مركز SPAD لتحقيق اقتران فعال.
4. معايرة الأداء. تم إجراء المعايرة باستخدام ليزر ثنائي نبضي بيكو ثانية 785 نانومتر (100 كيلو هرتز) ومحول زمني رقمي (TDC، دقة 10 بيكو ثانية).
ملخص
من خلال تحسين بنية كاشف الفوتون الأحادي (SPAD) (الوصلة السميكة، والإضاءة الخلفية، وتعويض التشويب) وتطوير دائرة إخماد 50 فولت، نجحت هذه الدراسة في رفع كفاءة الكشف الضوئي (PDE) لكاشف الفوتون الأحادي المصنوع من السيليكون إلى مستوى جديد بلغ 84.4%. وبالمقارنة مع المنتجات التجارية، فقد تحسن أداؤه الشامل بشكل ملحوظ، مما يوفر حلولًا عملية لتطبيقات مثل الاتصالات الكمومية، والحوسبة الكمومية، والتصوير عالي الحساسية التي تتطلب كفاءة فائقة ومرونة في التشغيل. وقد أرست هذه الدراسة أساسًا متينًا لمزيد من تطوير كاشفات الفوتون الأحادي المصنوعة من السيليكون.كاشف الفوتون الواحدتكنولوجيا.
تاريخ النشر: 28 أكتوبر 2025