पातलो सिलिकन फोटोडिटेक्टरको नयाँ प्रविधि

नयाँ प्रविधिकोपातलो सिलिकन फोटोडिटेक्टर
पातलोमा प्रकाश अवशोषण बढाउन फोटोन क्याप्चर संरचनाहरू प्रयोग गरिन्छसिलिकन फोटोडिटेक्टरहरू
अप्टिकल कम्युनिकेसन, liDAR सेन्सिङ, र मेडिकल इमेजिङ लगायत धेरै उदीयमान अनुप्रयोगहरूमा फोटोनिक प्रणालीहरू द्रुत गतिमा लोकप्रिय हुँदै गइरहेका छन्। यद्यपि, भविष्यका इन्जिनियरिङ समाधानहरूमा फोटोनिक्सको व्यापक अपनाउने कार्य उत्पादन लागतमा निर्भर गर्दछ।फोटो डिटेक्टरहरू, जुन फलस्वरूप त्यस उद्देश्यका लागि प्रयोग गरिने अर्धचालकको प्रकारमा धेरै हदसम्म निर्भर गर्दछ।
परम्परागत रूपमा, सिलिकन (Si) इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगमा सबैभन्दा सर्वव्यापी अर्धचालक भएको छ, यति धेरै कि धेरैजसो उद्योगहरू यस सामग्रीको वरिपरि परिपक्व भएका छन्। दुर्भाग्यवश, ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs) जस्ता अन्य अर्धचालकहरूको तुलनामा Si को नजिकको इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रममा तुलनात्मक रूपमा कमजोर प्रकाश अवशोषण गुणांक छ। यस कारणले गर्दा, GaAs र सम्बन्धित मिश्रहरू फोटोनिक अनुप्रयोगहरूमा फस्टाइरहेका छन् तर धेरैजसो इलेक्ट्रोनिक्सको उत्पादनमा प्रयोग हुने परम्परागत पूरक धातु-अक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रक्रियाहरूसँग उपयुक्त छैनन्। यसले तिनीहरूको उत्पादन लागतमा तीव्र वृद्धि निम्त्यायो।
अनुसन्धानकर्ताहरूले सिलिकनमा नजिकको इन्फ्रारेड अवशोषणलाई धेरै बढाउने तरिका पत्ता लगाएका छन्, जसले उच्च-प्रदर्शन फोटोनिक उपकरणहरूमा लागत घटाउन सक्छ, र UC डेभिस अनुसन्धान टोलीले सिलिकन पातलो फिल्महरूमा प्रकाश अवशोषणलाई धेरै सुधार गर्न नयाँ रणनीतिको अग्रगामी गरिरहेको छ। Advanced Photonics Nexus मा आफ्नो पछिल्लो पेपरमा, तिनीहरूले पहिलो पटक प्रकाश-क्याप्चर गर्ने माइक्रो-र न्यानो-सतह संरचनाहरू भएको सिलिकन-आधारित फोटोडिटेक्टरको प्रयोगात्मक प्रदर्शन प्रदर्शन गर्छन्, जसले GaAs र अन्य III-V समूह अर्धचालकहरूसँग तुलना गर्न सकिने अभूतपूर्व प्रदर्शन सुधारहरू प्राप्त गर्दछ। फोटोडिटेक्टरमा इन्सुलेटिङ सब्सट्रेटमा राखिएको माइक्रोन-बाक्लो बेलनाकार सिलिकन प्लेट हुन्छ, जसमा प्लेटको शीर्षमा रहेको सम्पर्क धातुबाट औंला-फोर्क फेसनमा धातु "औंलाहरू" फैलिएका हुन्छन्। महत्त्वपूर्ण कुरा, लम्पी सिलिकन आवधिक ढाँचामा व्यवस्थित गोलाकार प्वालहरूले भरिएको हुन्छ जसले फोटोन क्याप्चर साइटहरूको रूपमा काम गर्दछ। उपकरणको समग्र संरचनाले सामान्यतया घटना प्रकाशलाई सतहमा ठोक्किँदा लगभग 90° ले झुकाउँछ, जसले गर्दा यसलाई Si समतलमा पार्श्व रूपमा फैलिन अनुमति दिन्छ। यी पार्श्व प्रसार मोडहरूले प्रकाशको यात्राको लम्बाइ बढाउँछन् र प्रभावकारी रूपमा यसलाई ढिलो बनाउँछन्, जसले गर्दा प्रकाश-पदार्थ अन्तरक्रिया बढी हुन्छ र यसरी अवशोषण बढ्छ।
अनुसन्धानकर्ताहरूले फोटोन क्याप्चर संरचनाहरूको प्रभावलाई राम्रोसँग बुझ्न अप्टिकल सिमुलेशन र सैद्धान्तिक विश्लेषणहरू पनि गरे, र तिनीहरूसँग र बिना फोटोडिटेक्टरहरूको तुलना गर्दै धेरै प्रयोगहरू गरे। उनीहरूले पत्ता लगाए कि फोटोन क्याप्चरले NIR स्पेक्ट्रममा ब्रॉडब्यान्ड अवशोषण दक्षतामा उल्लेखनीय सुधार ल्यायो, ८६% को शिखरको साथ ६८% माथि रह्यो। यो ध्यान दिन लायक छ कि नजिकको इन्फ्रारेड ब्यान्डमा, फोटोन क्याप्चर फोटोडिटेक्टरको अवशोषण गुणांक सामान्य सिलिकनको भन्दा धेरै गुणा बढी छ, ग्यालियम आर्सेनाइड भन्दा बढी छ। थप रूपमा, यद्यपि प्रस्तावित डिजाइन १μm बाक्लो सिलिकन प्लेटहरूको लागि हो, CMOS इलेक्ट्रोनिक्ससँग उपयुक्त ३० nm र १०० nm सिलिकन फिल्महरूको सिमुलेशनले समान बृद्धि गरिएको प्रदर्शन देखाउँछ।
समग्रमा, यस अध्ययनको नतिजाले उदीयमान फोटोनिक्स अनुप्रयोगहरूमा सिलिकन-आधारित फोटोडिटेक्टरहरूको कार्यसम्पादन सुधार गर्न एक आशाजनक रणनीति प्रदर्शन गर्दछ। अल्ट्रा-पातलो सिलिकन तहहरूमा पनि उच्च अवशोषण प्राप्त गर्न सकिन्छ, र सर्किटको परजीवी क्षमता कम राख्न सकिन्छ, जुन उच्च-गति प्रणालीहरूमा महत्त्वपूर्ण छ। थप रूपमा, प्रस्तावित विधि आधुनिक CMOS निर्माण प्रक्रियाहरूसँग उपयुक्त छ र त्यसैले अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सलाई परम्परागत सर्किटहरूमा एकीकृत गर्ने तरिकामा क्रान्तिकारी परिवर्तन गर्ने क्षमता छ। यसले, बारीमा, किफायती अल्ट्राफास्ट कम्प्युटर नेटवर्क र इमेजिङ प्रविधिमा पर्याप्त छलांगको लागि मार्ग प्रशस्त गर्न सक्छ।