नवीन तंत्रज्ञानपातळ सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
पातळ थरांमध्ये प्रकाश शोषण वाढवण्यासाठी फोटॉन कॅप्चर संरचनांचा वापर केला जातो.सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर्स
ऑप्टिकल कम्युनिकेशन, लिडार सेन्सिंग आणि मेडिकल इमेजिंग यांसारख्या अनेक उदयोन्मुख अनुप्रयोगांमध्ये फोटोनिक प्रणाली वेगाने लोकप्रिय होत आहेत. तथापि, भविष्यातील अभियांत्रिकी उपायांमध्ये फोटोनिक्सचा व्यापक स्वीकार हा उत्पादन खर्चावर अवलंबून आहे.फोटोडिटेक्टरजे त्या उद्देशासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सेमीकंडक्टरच्या प्रकारावर मोठ्या प्रमाणावर अवलंबून असते.
पारंपारिकपणे, इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगात सिलिकॉन (Si) हा सर्वात सर्वव्यापी सेमीकंडक्टर राहिला आहे, इतका की बहुतेक उद्योग याच सामग्रीभोवती विकसित झाले आहेत. दुर्दैवाने, गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) सारख्या इतर सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत, जवळच्या इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रममध्ये Si चा प्रकाश शोषण गुणांक तुलनेने कमकुवत असतो. यामुळे, GaAs आणि संबंधित मिश्रधातू फोटोनिक अनुप्रयोगांमध्ये भरभराटीस येत आहेत, परंतु ते बहुतेक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या उत्पादनात वापरल्या जाणाऱ्या पारंपारिक कॉम्प्लिमेंटरी मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (CMOS) प्रक्रियांशी सुसंगत नाहीत. यामुळे त्यांच्या उत्पादन खर्चात मोठी वाढ झाली.
संशोधकांनी सिलिकॉनमधील नियर-इन्फ्रारेड शोषणात मोठ्या प्रमाणात वाढ करण्याचा एक मार्ग शोधून काढला आहे, ज्यामुळे उच्च-कार्यक्षमतेच्या फोटोनिक उपकरणांच्या खर्चात कपात होऊ शकते. तसेच, यूसी डेव्हिसमधील एक संशोधन संघ सिलिकॉनच्या पातळ थरांमधील प्रकाश शोषणात मोठ्या प्रमाणात सुधारणा करण्यासाठी एका नवीन धोरणाचा पाया घालत आहे. ॲडव्हान्स्ड फोटोनिक्स नेक्ससमध्ये सादर केलेल्या त्यांच्या नवीनतम शोधनिबंधात, त्यांनी प्रकाश-पकडणाऱ्या सूक्ष्म आणि नॅनो-पृष्ठभागीय संरचना असलेल्या सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टरचे प्रायोगिक प्रदर्शन प्रथमच केले आहे. याद्वारे त्यांनी GaAs आणि इतर III-V गटातील सेमीकंडक्टर्सच्या तुलनेत अभूतपूर्व कार्यक्षमतेत सुधारणा साधली आहे. या फोटोडिटेक्टरमध्ये एका इन्सुलेटिंग सब्सट्रेटवर ठेवलेली मायक्रॉन-जाड दंडगोलाकार सिलिकॉन प्लेट असते, जिच्या वरच्या बाजूला असलेल्या संपर्क धातूपासून काट्याच्या आकाराप्रमाणे धातूची 'बोटे' बाहेर आलेली असतात. महत्त्वाचे म्हणजे, या खडबडीत सिलिकॉनमध्ये ठराविक अंतराने गोलाकार छिद्रे भरलेली असतात, जी फोटॉन पकडण्याची जागा म्हणून काम करतात. या उपकरणाच्या एकूण रचनेमुळे, पृष्ठभागावर आदळणारा प्रकाश जवळजवळ ९०° ने वाकतो, ज्यामुळे तो सिलिकॉनच्या प्रतलावर आडव्या दिशेने पसरू शकतो. या पार्श्व प्रसारण पद्धती प्रकाशाच्या प्रवासाची लांबी वाढवतात आणि त्याला प्रभावीपणे मंदावतात, ज्यामुळे प्रकाश-पदार्थ आंतरक्रिया वाढतात आणि परिणामी शोषण वाढते.
संशोधकांनी फोटॉन कॅप्चर संरचनांचे परिणाम अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी ऑप्टिकल सिम्युलेशन आणि सैद्धांतिक विश्लेषणे देखील केली, तसेच त्या संरचना असलेल्या आणि नसलेल्या फोटोडिटेक्टर्सची तुलना करणारे अनेक प्रयोग केले. त्यांना असे आढळले की फोटॉन कॅप्चरमुळे एनआयआर (NIR) स्पेक्ट्रममधील ब्रॉडबँड शोषण कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा झाली, जी ६८% पेक्षा जास्त राहिली आणि ८६% च्या शिखरावर पोहोचली. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की नियर इन्फ्रारेड बँडमध्ये, फोटॉन कॅप्चर फोटोडिटेक्टरचा शोषण गुणांक सामान्य सिलिकॉनपेक्षा कित्येक पटींनी जास्त आहे, जो गॅलियम आर्सेनाइडलाही मागे टाकतो. याव्यतिरिक्त, जरी प्रस्तावित डिझाइन १ मायक्रॉन (μm) जाडीच्या सिलिकॉन प्लेट्ससाठी असले तरी, सीएमओएस (CMOS) इलेक्ट्रॉनिक्सशी सुसंगत असलेल्या ३० एनएम (nm) आणि १०० एनएम (nm) सिलिकॉन फिल्म्सच्या सिम्युलेशनमध्येही अशीच सुधारित कामगिरी दिसून येते.
एकंदरीत, या अभ्यासाचे निष्कर्ष उदयोन्मुख फोटोनिक्स अनुप्रयोगांमध्ये सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टर्सची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी एक आशादायक धोरण दर्शवतात. अति-पातळ सिलिकॉन थरांमध्येही उच्च शोषण साध्य केले जाऊ शकते आणि सर्किटची पॅरासिटिक कपॅसिटन्स कमी ठेवता येते, जे उच्च-गती प्रणालींमध्ये अत्यंत महत्त्वाचे आहे. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित पद्धत आधुनिक CMOS उत्पादन प्रक्रियांशी सुसंगत आहे आणि म्हणूनच पारंपरिक सर्किट्समध्ये ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स समाकलित करण्याच्या पद्धतीत क्रांती घडवून आणण्याची क्षमता तिच्यात आहे. यामुळे, परवडणाऱ्या अति-वेगवान संगणक नेटवर्क आणि इमेजिंग तंत्रज्ञानामध्ये महत्त्वपूर्ण प्रगतीचा मार्ग मोकळा होऊ शकतो.
पोस्ट करण्याची वेळ: १२ नोव्हेंबर २०२४