清华团队最新突破,缩短半导体光子雪崩探测器(SPAD)的“休眠时间”原来可以如此简单

“该研究对简化半导体光子雪崩计数器(SPAD)加工步骤,提升SPAD集成度,增强SPAD计数速率有着重要意义。”对于近期发表的新论文,清华大学北京信息科学与技术国家研究中心助理研究员郑纪元表示。

清华大学助理研究员郑纪元、学生华夏杨做实验场景

清华大学郑纪元、汪莱、吴嘉敏等联合芝加哥大学Supratik Guha院士团队、弗吉尼亚大学Joe Campbell院士团队和阿贡国家实验室的学者们攻坚克难,提出并验证了一种简单可行的方法来缩短SPAD“休眠时间”,在“如何提高半导体光子雪崩计数器(SPAD)计数速率”这一国际难题上产生了新的突破。

近日,相关论文以“Dynamic-quenching of a single-photon avalanche photodetector using an adaptive resistive switch”为题,发表在Nature Communications杂志,并被杂志评为Featured Article(近半年以来50篇最佳主题论文之一)。

原文链接:https://www.nature.com/collections/bjiiabbacg

图1 | 相关论文(来源:Nature Communications)

SPAD“大道至简”,清华团队“知易行难”

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1.什么是SPAD的“休眠时间”?

正如一点小小的波澜可以在平静的雪山造成大面积的雪崩,微弱的单光子信号可以在雪崩光子计数器(SPAD)中激发电学雪崩脉冲响应而被检测。SPAD是极微弱光信号检测的核心器件,是国民经济、国防战略高技术的技术制高点之一。

为了防止剧烈的雪崩效应摧毁SPAD,一般需要将SPAD与一个大电阻RL串联在一起来起到保护作用。然而,器件产生光子雪崩脉冲后,淬灭电阻RL与SPAD结电容C会产生RC充电延迟。当SPAD充电完成后才能探测下一个光子。这段时间便被称为SPAD的“休眠时间”。

2.为什么要缩短SPAD的“休眠时间”?

在传统被动淬灭方案里,针对大光敏面积的器件,SPAD的“休眠时间”通常要超过1微秒,同时光子计数速率会低于1MHz。这种情况远远达不到测量光子的实际要求。

目前常规的技术解决路径是减小SPAD的光敏面积,或者采用反馈式的淬灭电路,这样看似解决了SPAD“休眠时间”的难题,但实际上又带来了“空间光耦合效率下降”和“光电芯片加工复杂度提升”这些更复杂的技术困境。

由此可见,“休眠时间”的问题是SPAD实现高速计数的首要羁绊,同时也是国际光子计数领域极为重要的难题。缩短SPAD的“休眠时间”,是提高光子计数速率最有效的手段之一。

3.如何让SPAD“休眠时间”变短?

针对上述问题,清华团队经历了长时间理论推导和实验验证,最终提出了一种行之有效的方法,即采用动态忆阻器(ARS)来取代固定电阻,可以实现在保护SPAD的前提下更高速的淬灭SPAD。

ARS是一种薄膜型器件,电阻值随电压改变且存在时滞回线特性(动态记忆特性),器件由介电材料和上下两个电极构成,如图2所示。

图2 | 动态忆阻器(ARS)结构与表征(来源:论文)

当光子触发雪崩时,让SPAD与ARS串联。ARS能快速从SPAD分得一个电压,随后ARS电极材料发生电化学反应,快速形成导电沟道,电阻下降,RC充电时间显著减少,而后SPAD快速完成充电,“休眠时间”显著缩短,电压从ARS被重新分配回SPAD,ARS导电沟道发生溶解,变成高阻态,可以淬灭SPAD下一轮雪崩。在SPAD雪崩淬灭和充电的过程中,ARS发生了关键性的阻变效应,加速了这一过程。这就是团队针对缩短SPAD“休眠时间”而提出的ARS动态淬灭系统,如图3所示。

图3 | 动态忆阻器智能淬灭方案的器件架构图

4.采用ARS缩短“休眠时间”法的优势!

实验采样了大量的光子脉冲,并分别统计了ARS淬灭模式和传统固定电阻淬灭方式下SPAD“休眠时间”的长短。从图4观察,可以清晰的看到,采用ARS淬灭SPAD的脉冲宽度比传统固定阻值的电阻淬灭方式脉冲宽度显著变窄,也就是所谓的SPAD的“休眠时间”变短了。

图4 |雪崩脉冲波形对比(a)ARS淬灭的雪崩脉冲波形(b)传统固定阻值的电阻淬灭的雪崩脉冲波形(来源:论文)

ARS淬灭的SPAD响应情况(蓝线)(图5b)和传统淬灭的SPAD响应情况(蓝线)情况(图5c)。如图5可见,由于计数速率的显著提升,ARS淬灭模式下SPAD的雪崩脉冲更窄,计数次数比传统明显增加。由此,ARS这种叫醒SPAD休眠的办法相较于传统的电阻淬灭方式,SPAD的工作效率要高的多。

图5 |SPAD计数速率分析(a)不同淬灭方式SPAD计数速率的比较(b)30个光子脉冲(红线)激励下ARS淬灭的SPAD响应情况(蓝线)(c)30个光子脉冲(红线)激励下传统固定阻值电阻淬灭的SPAD响应情况(蓝线)(来源:论文)

5.器件可以稳定工作多久?

由于动态忆阻器ARS在连续高速开关的条件下会存在一定的状态漂移,需要将ARS工作状态重置后才能恢复最初的工作状态。该现象对于光子计数不利。清华团队观察到器件在6 MHz频率的光子脉冲序列连续照射下,只可以保持30分钟的稳定工作状态,而后随着ARS开关平均阻值的降低,SPAD探测性能便出现了恶化。如图6所示。团队后续还需要研究在更多变的条件下,实现如何提升ARS可靠开关次数。

图6 |采用6 MHz频率的光子脉冲序列连续照射动态忆阻器(ARS)淬灭的SPAD,计数性能的疲劳性实验。

综上所述,清华团队研究所得:利用动态忆阻器ARS的方法,缩短SPAD“休眠时间”,进而提升了SPAD的计数速率。这在生物医学成像,量子通信,深空信号检测等领域具有广泛的应用意义。针对传统的光子探测技术有了较大的突破。

但这个“突破”既是研究的结论也是研究的开始,未来团队希望继续迎接挑战。在此结论的基础上,还将持续进行新的相关研究工作。