photodétecteur à photon uniqueont franchi le goulot d'étranglement de l'efficacité à 80 %
Photon uniquephotodétecteursont largement utilisées dans les domaines de la photonique quantique et de l'imagerie à photon unique en raison de leurs avantages en termes de compacité et de faible coût, mais elles sont confrontées aux goulots d'étranglement techniques suivants.
limitations techniques actuelles
1. CMOS et SPAD à jonction mince : Bien qu'ils présentent une intégration élevée et une faible gigue temporelle, la couche d'absorption est mince (quelques micromètres) et le PDE est limité dans la région proche infrarouge, avec seulement environ 32 % à 850 nm.
2. SPAD à jonction épaisse : Ce type de dispositif comporte une couche d’absorption de plusieurs dizaines de micromètres d’épaisseur. Les produits commerciaux présentent une efficacité de détection de puissance (PDE) d’environ 70 % à 780 nm, mais dépasser les 80 % est extrêmement difficile.
3. Limitations du circuit de lecture : Les SPAD à jonction épaisse nécessitent une surtension supérieure à 30 V pour garantir une probabilité d’avalanche élevée. Même avec une tension de coupure de 68 V dans les circuits traditionnels, le rendement d’avalanche ne peut être augmenté qu’à 75,1 %.
Solution
Optimisation de la structure semi-conductrice du SPAD. Conception rétro-éclairée : les photons incidents décroissent exponentiellement dans le silicium. La structure rétro-éclairée garantit l’absorption de la majorité des photons dans la couche d’absorption et l’injection des électrons générés dans la région d’avalanche. Le taux d’ionisation des électrons dans le silicium étant supérieur à celui des trous, l’injection d’électrons augmente la probabilité d’avalanche. Compensation du dopage dans la région d’avalanche : grâce à un processus de diffusion continue du bore et du phosphore, le dopage superficiel est compensé afin de concentrer le champ électrique dans la région profonde présentant moins de défauts cristallins, réduisant ainsi efficacement le bruit, notamment le taux de comptage d’extinction (DCR).
2. Circuit de lecture haute performance. Extinction à haute amplitude de 50 V. Transition d'état rapide ; Fonctionnement multimodal : En combinant les signaux QUENCHING et RESET de contrôle FPGA, une commutation flexible entre le fonctionnement libre (déclenchement par signal), le mode de commande (pilotage GATE externe) et le mode hybride est réalisée.
3. Préparation et conditionnement du dispositif. Le procédé de fabrication des plaquettes SPAD est adopté, avec un boîtier papillon. Le SPAD est collé sur un substrat porteur en AlN et installé verticalement sur le refroidisseur thermoélectrique (TEC). La régulation de la température est assurée par une thermistance. Les fibres optiques multimodes sont alignées avec précision sur le centre du SPAD pour un couplage efficace.
4. Étalonnage des performances. L'étalonnage a été réalisé à l'aide d'une diode laser pulsée picoseconde de 785 nm (100 kHz) et d'un convertisseur temps-numérique (TDC, résolution de 10 ps).
Résumé
En optimisant la structure du SPAD (jonction épaisse, rétro-illumination, compensation de dopage) et en innovant le circuit d'extinction à 50 V, cette étude a permis d'atteindre un rendement de détection de photons uniques (PDE) de 84,4 %, un niveau inédit. Comparé aux produits commerciaux, ses performances globales sont nettement améliorées, offrant des solutions concrètes pour des applications telles que les communications quantiques, l'informatique quantique et l'imagerie haute sensibilité, qui requièrent une efficacité ultra-élevée et une grande flexibilité d'utilisation. Ces travaux constituent une base solide pour le développement futur des détecteurs à base de silicium.détecteur de photons uniquestechnologie.
Date de publication : 28 octobre 2025