単一光子光検出器は80%の効率ボトルネックを突破した

単一光子光検出器80%の効率ボトルネックを突破した

単一光子光検出器は、小型で低コストであるという利点から、量子フォトニクスや単一光子イメージングの分野で広く使用されていますが、次のような技術的なボトルネックに直面しています。

現在の技術的限界

1.CMOS および薄接合 SPAD: 集積度が高く、タイミング ジッタが低いものの、吸収層が薄く (数マイクロメートル)、近赤外領域での PDE が 850 nm で約 32% に制限されます。

2. 厚膜接合型SPAD：数十マイクロメートルの厚さの吸収層を備えています。市販製品のPDEは780nmで約70%ですが、80%を超えるのは非常に困難です。

3. 読み出し回路の限界：厚膜接合型SPADでは、高いアバランシェ確率を確保するために30Vを超える過バイアス電圧が必要です。従来の回路では、クエンチ電圧を68Vに設定しても、PDEは75.1%までしか向上しません。

解決

SPADの半導体構造を最適化します。裏面照射型設計：入射光子はシリコン中で指数関数的に減衰します。裏面照射型構造により、光子の大部分が吸収層に吸収され、発生した電子がアバランシェ領域に注入されます。シリコン中の電子のイオン化率は正孔のイオン化率よりも高いため、電子注入によってアバランシェの発生確率が高まります。ドーピング補償アバランシェ領域：ホウ素とリンの連続拡散プロセスを用いることで、浅いドーピングを補償し、結晶欠陥の少ない深い領域に電界を集中させ、DCRなどのノイズを効果的に低減します。

2. 高性能読み出し回路。50V 高振幅クエンチング、高速状態遷移、マルチモーダル動作:FPGA 制御 QUENCHING 信号と RESET 信号を組み合わせることで、フリー動作 (信号トリガー)、ゲーティング (外部 GATE 駆動)、ハイブリッド モード間の柔軟な切り替えを実現します。

3. デバイスの準備とパッケージング。SPADウェハプロセスを採用し、バタフライパッケージを採用しています。SPADはAlNキャリア基板に接合され、熱電冷却器（TEC）上に垂直に設置され、サーミスタによって温度制御が行われます。マルチモード光ファイバーはSPADの中心に正確に位置合わせされ、効率的な結合を実現します。

4. 性能校正。校正は、785 nmピコ秒パルスレーザーダイオード（100 kHz）と時間デジタル変換器（TDC、10 ps分解能）を使用して実施しました。

まとめ

本研究では、SPAD構造（厚膜接合、裏面照射型、ドーピング補償）の最適化と50Vクエンチ回路の革新により、シリコンベース単一光子検出器のPDEを84.4%という新たな高みに押し上げることに成功しました。市販製品と比較して、その総合的な性能は大幅に向上し、量子通信、量子コンピューティング、高感度イメージングなど、超高効率と柔軟な動作が求められる用途に実用的なソリューションを提供します。この研究は、シリコンベース単一光子検出器のさらなる発展に向けた確固たる基盤を築きました。単一光子検出器テクノロジー。