पातळ सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरचे नवीन तंत्रज्ञान

चे नवीन तंत्रज्ञानपातळ सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
फोटॉन कॅप्चर स्ट्रक्चर्स पातळ मध्ये प्रकाश शोषण वाढविण्यासाठी वापरली जातातसिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्स, liDAR सेन्सिंग आणि मेडिकल इमेजिंगसह अनेक उदयोन्मुख ऍप्लिकेशन्समध्ये फोटोनिक सिस्टम्स वेगाने कर्षण मिळवत आहेत. तथापि, भविष्यातील अभियांत्रिकी उपायांमध्ये फोटोनिक्सचा व्यापक अवलंब उत्पादनाच्या खर्चावर अवलंबून आहे.फोटोडिटेक्टर, जे त्या कारणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या सेमीकंडक्टरच्या प्रकारावर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते.
पारंपारिकपणे, सिलिकॉन (Si) हे इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगातील सर्वात सर्वव्यापी अर्धसंवाहक आहे, इतके की बहुतेक उद्योग या सामग्रीभोवती परिपक्व झाले आहेत. दुर्दैवाने, गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) सारख्या इतर सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत जवळच्या इन्फ्रारेड (NIR) स्पेक्ट्रममध्ये Si चा तुलनेने कमकुवत प्रकाश शोषण गुणांक आहे. यामुळे, GaAs आणि संबंधित मिश्र धातु फोटोनिक ऍप्लिकेशन्समध्ये भरभराट होत आहेत परंतु बहुतेक इलेक्ट्रॉनिक्सच्या उत्पादनात वापरल्या जाणाऱ्या पारंपारिक पूरक मेटल-ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (CMOS) प्रक्रियेशी सुसंगत नाहीत. त्यामुळे त्यांच्या उत्पादन खर्चात मोठी वाढ झाली.
संशोधकांनी सिलिकॉनमध्ये जवळ-अवरक्त शोषण मोठ्या प्रमाणात वाढविण्याचा एक मार्ग तयार केला आहे, ज्यामुळे उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या फोटोनिक उपकरणांमध्ये किंमत कमी होऊ शकते आणि UC डेव्हिस संशोधन कार्यसंघ सिलिकॉन पातळ चित्रपटांमध्ये प्रकाश शोषण मोठ्या प्रमाणात सुधारण्यासाठी नवीन धोरण आखत आहे. Advanced Photonics Nexus मधील त्यांच्या नवीनतम पेपरमध्ये, त्यांनी प्रथमच प्रकाश-कॅप्चरिंग मायक्रो- आणि नॅनो-सरफेस स्ट्रक्चर्ससह सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टरचे प्रायोगिक प्रात्यक्षिक दाखवले, ज्याने GaAs आणि इतर III-V गट सेमीकंडक्टरच्या तुलनेत अभूतपूर्व कामगिरी सुधारणा साध्य केली. . फोटोडिटेक्टरमध्ये इन्सुलेटिंग सब्सट्रेटवर ठेवलेल्या मायक्रॉन-जाड दंडगोलाकार सिलिकॉन प्लेटचा समावेश असतो, ज्यामध्ये प्लेटच्या शीर्षस्थानी असलेल्या संपर्क धातूपासून बोट-काट्याच्या फॅशनमध्ये धातूची "बोटं" पसरलेली असतात. महत्त्वाचे म्हणजे, ढेकूळ सिलिकॉन नियतकालिक पॅटर्नमध्ये व्यवस्थित गोलाकार छिद्रांनी भरलेले असते जे फोटॉन कॅप्चर साइट्स म्हणून कार्य करतात. यंत्राच्या एकूण संरचनेमुळे सामान्यतः घटना प्रकाश जेव्हा पृष्ठभागावर आदळतो तेव्हा तो जवळजवळ 90° ने वाकतो, ज्यामुळे तो Si समतल बाजूने पार्श्वभागी पसरतो. या पार्श्विक प्रसार पद्धती प्रकाशाच्या प्रवासाची लांबी वाढवतात आणि ते प्रभावीपणे कमी करतात, ज्यामुळे अधिक प्रकाश-द्रव्य परस्परसंवाद होतो आणि त्यामुळे शोषण वाढते.
संशोधकांनी फोटॉन कॅप्चर स्ट्रक्चर्सचे परिणाम अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी ऑप्टिकल सिम्युलेशन आणि सैद्धांतिक विश्लेषणे देखील आयोजित केली आणि त्यांच्यासह आणि त्याशिवाय फोटोडिटेक्टर्सची तुलना करणारे अनेक प्रयोग केले. त्यांना आढळले की फोटॉन कॅप्चरमुळे एनआयआर स्पेक्ट्रममध्ये ब्रॉडबँड शोषण कार्यक्षमतेत लक्षणीय सुधारणा झाली, 86% च्या शिखरासह 68% वर राहिली. हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की जवळच्या इन्फ्रारेड बँडमध्ये, फोटॉन कॅप्चर फोटोडेटेक्टरचे शोषण गुणांक सामान्य सिलिकॉनपेक्षा अनेक पटीने जास्त आहे, गॅलियम आर्सेनाइडपेक्षा जास्त आहे. याव्यतिरिक्त, जरी प्रस्तावित डिझाइन 1μm जाडीच्या सिलिकॉन प्लेट्ससाठी असले तरी, CMOS इलेक्ट्रॉनिक्सशी सुसंगत 30 nm आणि 100 nm सिलिकॉन फिल्म्सचे सिम्युलेशन समान वर्धित कार्यप्रदर्शन दर्शवतात.
एकंदरीत, या अभ्यासाचे परिणाम उदयोन्मुख फोटोनिक्स ऍप्लिकेशन्समध्ये सिलिकॉन-आधारित फोटोडेटेक्टर्सचे कार्यप्रदर्शन सुधारण्यासाठी एक आशादायक धोरण प्रदर्शित करतात. अति-पातळ सिलिकॉन स्तरांमध्येही उच्च शोषण मिळवता येते आणि सर्किटची परजीवी कॅपॅसिटन्स कमी ठेवली जाऊ शकते, जी हाय-स्पीड सिस्टममध्ये गंभीर आहे. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित पद्धत आधुनिक CMOS उत्पादन प्रक्रियांशी सुसंगत आहे आणि त्यामुळे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स पारंपारिक सर्किट्समध्ये समाकलित करण्याच्या पद्धतीमध्ये क्रांती घडवून आणण्याची क्षमता आहे. यामुळे, परवडणाऱ्या अल्ट्राफास्ट संगणक नेटवर्क आणि इमेजिंग तंत्रज्ञानामध्ये भरीव झेप घेण्याचा मार्ग मोकळा होऊ शकतो.