フォトニクス：ゲルマニウム–シリコン単一光子アバランシェダイオードの室温動作

単一光子を検出できる能力は、数多くの研究分野の発展につながっている。さまざまな型の単一光子検出器が開発されてきたが、2つの主な要因、すなわち、（1）極低温で動作させる必要性と、（2）相補型金属–酸化物–半導体（CMOS）製造工程との不適合性のため、我々の知る限り、大きな成功を収め民生用電子機器に使われているのは、シリコン（Si）系の単一光子アバランシェダイオード（SPAD）だけである。より優れた安全性と性能を目指して動作波長を近赤外から短波長赤外（SWIR）へ移したいという要望が高まるとともに、1 μmを超える波長ではSiの光吸収が極めて小さいために、代替案が必要になっている。今回我々は、雑音等価電力が従来のゲルマニウム（Ge）系SPADより2～3.5桁向上した、室温動作するCMOS互換高性能ゲルマニウム–シリコンSPADを報告する。重要なパラメーターの測定値は、暗計数率が19 kHz μm⁻²、1310 nmでの単一光子検出確率が12％、タイミングジッターが188 ps、アフターパルス特性時間が～90 ns、アフターパルス確率が1％未満で、降伏電圧は10.26 Vと低く、過剰バイアスは0.75 Vと小さい。また、概念実証として、直接飛行時間法を用いて三次元点群画像が捉えられた。今回の成果は、単一光子感度のSWIRセンサー、イメージャー、フォトニック集積回路の日常生活での使用への道を開く。

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