წვრილი სილიკონის ფოტოდეტექტორის ახალი ტექნოლოგია

ახალი ტექნოლოგიათხელი სილიკონის ფოტოდეტექტორი
ფოტონის დაჭერის სტრუქტურები გამოიყენება თხელებში სინათლის შთანთქმის გასაძლიერებლადსილიკონის ფოტოდეტექტორები
ფოტონიკური სისტემები სწრაფად იძენს მიმზიდველობას მრავალ განვითარებად აპლიკაციებში, მათ შორის ოპტიკურ კომუნიკაციებში, liDAR ზონდირებასა და სამედიცინო გამოსახულებაში. თუმცა, ფოტონიკის ფართოდ გამოყენება მომავალ საინჟინრო გადაწყვეტილებებში დამოკიდებულია წარმოების ღირებულებაზე.ფოტოდეტექტორები, რაც თავის მხრივ დიდწილად დამოკიდებულია ამ მიზნით გამოყენებული ნახევარგამტარის ტიპზე.
ტრადიციულად, სილიციუმი (Si) იყო ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარი ელექტრონიკის ინდუსტრიაში, იმდენად, რამდენადაც ინდუსტრიების უმეტესობა მომწიფდა ამ მასალის გარშემო. სამწუხაროდ, Si-ს აქვს შედარებით სუსტი სინათლის შთანთქმის კოეფიციენტი ახლო ინფრაწითელ (NIR) სპექტრში სხვა ნახევარგამტარებთან შედარებით, როგორიცაა გალიუმის არსენიდი (GaAs). ამის გამო, GaAs და მასთან დაკავშირებული შენადნობები აყვავებულნი არიან ფოტონიკურ აპლიკაციებში, მაგრამ არ არიან თავსებადი ტრადიციულ დამატებით მეტალის ოქსიდის ნახევარგამტარული (CMOS) პროცესებთან, რომლებიც გამოიყენება უმეტეს ელექტრონიკის წარმოებაში. ამან გამოიწვია მათი წარმოების ხარჯების მკვეთრი ზრდა.
მკვლევარებმა შეიმუშავეს გზა სილიკონში ახლო ინფრაწითელი შთანთქმის გასაძლიერებლად, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მაღალი ეფექტურობის ფოტონიკური მოწყობილობების ხარჯების შემცირება, ხოლო UC Davis-ის კვლევითი ჯგუფი არის ახალი სტრატეგიის პიონერი, რათა მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს სინათლის შთანთქმა სილიკონის თხელ ფენებში. Advanced Photonics Nexus-ში თავიანთ უახლეს ნაშრომში, ისინი პირველად აჩვენებენ სილიკონზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორის ექსპერიმენტულ დემონსტრირებას სინათლის დამჭერი მიკრო და ნანო ზედაპირის სტრუქტურებით, მიღწეულია შესრულების უპრეცედენტო გაუმჯობესება GaAs-თან და სხვა III-V ჯგუფის ნახევარგამტარებთან შედარებით. . ფოტოდეტექტორი შედგება მიკრონის სისქის ცილინდრული სილიკონის ფირფიტისგან, რომელიც მოთავსებულია საიზოლაციო სუბსტრატზე, ლითონის „თითებით“ გადაჭიმული თითით ჩანგლის სახით ფირფიტის ზედა კონტაქტური ლითონისგან. მნიშვნელოვანია ისიც, რომ ერთიანი სილიკონი ივსება წრიული ხვრელებით, რომლებიც განლაგებულია პერიოდულად, რომლებიც მოქმედებენ როგორც ფოტონების დაჭერის ადგილები. მოწყობილობის მთლიანი სტრუქტურა იწვევს ნორმალურად მოხვედრილი შუქის დახრილობას თითქმის 90°-ით, როდესაც ის ზედაპირზე მოხვდება, რაც საშუალებას აძლევს მას გავრცელდეს ლატერალურად Si სიბრტყის გასწვრივ. ეს გვერდითი გავრცელების რეჟიმები ზრდის სინათლის მოგზაურობის ხანგრძლივობას და ეფექტურად ანელებს მას, რაც იწვევს სინათლის მატერიის მეტ ურთიერთქმედებას და, შესაბამისად, გაზრდის შთანთქმას.
მკვლევარებმა ასევე ჩაატარეს ოპტიკური სიმულაციები და თეორიული ანალიზები, რათა უკეთ გაეგოთ ფოტონების დაჭერის სტრუქტურების ეფექტი და ჩაატარეს რამდენიმე ექსპერიმენტი, რომლებიც ადარებდნენ ფოტოდეტექტორებს მათთან და მათ გარეშე. მათ აღმოაჩინეს, რომ ფოტონის დაჭერამ გამოიწვია ფართოზოლოვანი შთანთქმის ეფექტურობის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება NIR სპექტრში, რჩებოდა 68%-ზე ზემოთ, პიკი 86%. აღსანიშნავია, რომ ახლო ინფრაწითელ ზოლში, ფოტონების დაჭერის ფოტოდეტექტორის შთანთქმის კოეფიციენტი რამდენჯერმე აღემატება ჩვეულებრივ სილიკონს, აღემატება გალიუმის არსენიდს. გარდა ამისა, მიუხედავად იმისა, რომ შემოთავაზებული დიზაინი განკუთვნილია 1μm სისქის სილიკონის ფირფიტებისთვის, 30 ნმ და 100 ნმ სილიკონის ფირის სიმულაციები, რომლებიც თავსებადია CMOS ელექტრონიკასთან, აჩვენებს მსგავს გაძლიერებულ შესრულებას.
საერთო ჯამში, ამ კვლევის შედეგები აჩვენებს პერსპექტიულ სტრატეგიას სილიკონზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორების მუშაობის გასაუმჯობესებლად განვითარებად ფოტონიკის აპლიკაციებში. მაღალი შთანთქმის მიღწევა შესაძლებელია სილიკონის ულტრა თხელ ფენებშიც კი, ხოლო მიკროსქემის პარაზიტული ტევადობა შეიძლება შენარჩუნდეს დაბალი, რაც გადამწყვეტია მაღალსიჩქარიან სისტემებში. გარდა ამისა, შემოთავაზებული მეთოდი თავსებადია თანამედროვე CMOS წარმოების პროცესებთან და, შესაბამისად, აქვს პოტენციალი მოახდინოს რევოლუცია ოპტოელექტრონიკის ტრადიციულ სქემებში ინტეგრაციის გზაზე. ამან, თავის მხრივ, შეიძლება გზა გაუხსნას მნიშვნელოვან ნახტომებს ხელმისაწვდომ ულტრასწრაფ კომპიუტერულ ქსელებში და გამოსახულების ტექნოლოგიაში.