Funcionamiento a temperatura ambiente del diodo de avalancha de un solo fotón de germanio y silicio

Área de la Ciencia:

• Fotónica y optoelectrónica
• Física de los dispositivos de semiconductores
• Tecnología de detección de infrarrojos

Sus antecedentes:

• La detección de un solo fotón es crucial para los avances en varios campos científicos.
• Los diodos de avalancha de un solo fotón (SPAD) existentes basados en silicio requieren temperaturas criogénicas y no son totalmente compatibles con CMOS, lo que limita su adopción generalizada.
• El cambio hacia la detección de infrarrojos de longitud de onda corta (SWIR) se debe a necesidades de seguridad y rendimiento, pero la absorción óptica del silicio es insignificante más allá de 1 μm.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un SPAD compatible con CMOS capaz de funcionar a temperatura ambiente para la detección SWIR.
• Mejorar los SPAD basados en germanio existentes en términos de rendimiento y potencia equivalente de ruido.
• Para demostrar el potencial de este nuevo detector para aplicaciones prácticas como imágenes en 3D.

Principales métodos:

• Fabricación de un SPAD de germanio y silicio.
• Caracterización de los parámetros clave de rendimiento, incluida la velocidad de conteo en oscuridad, la probabilidad de detección, el jitter de sincronización y el pulso posterior.
• Demostración de imágenes tridimensionales de nubes de puntos mediante la técnica de tiempo de vuelo directo.

Principales resultados:

• Se logró un SPAD de germanio-silicio compatible con CMOS que funciona a temperatura ambiente.
• Demostró una mejora de potencia equivalente a ruido de 2 a 3,5 órdenes de magnitud en comparación con los anteriores SPAD basados en germanio.
• Los parámetros clave incluyen una tasa de recuento oscuro de 19 kHz μm-2, una probabilidad de detección del 12% a 1.310 nm, un jitter de sincronización de 188 ps y una probabilidad de pulso posterior del <1%.

Conclusiones:

• El SPAD de germanio-silicio desarrollado ofrece un alto rendimiento a temperatura ambiente y es compatible con la fabricación CMOS.
• Esta tecnología aborda las limitaciones de los SPAD de silicio para aplicaciones SWIR.
• Abre el camino para sensores SWIR sensibles a un solo fotón, cámaras de imagen y circuitos integrados en electrónica de consumo y otras aplicaciones cotidianas.