თხელი სილიკონის ფოტოდეტექტორის ახალი ტექნოლოგია

ახალი ტექნოლოგიათხელი სილიკონის ფოტოდეტექტორი
ფოტონის დაჭერის სტრუქტურები გამოიყენება სინათლის შთანთქმის გასაძლიერებლად თხელ ნაწილაკებში.სილიკონის ფოტოდეტექტორები
ფოტონური სისტემები სწრაფად იძენს პოპულარობას მრავალ ახალ დარგში, მათ შორის ოპტიკურ კომუნიკაციებში, liDAR სენსორებსა და სამედიცინო ვიზუალიზაციაში. თუმცა, ფოტონიკის ფართოდ გამოყენება სამომავლო საინჟინრო გადაწყვეტილებებში დამოკიდებულია წარმოების ღირებულებაზე.ფოტოდეტექტორები, რაც თავის მხრივ დიდწილად დამოკიდებულია ამ მიზნით გამოყენებული ნახევარგამტარის ტიპზე.
ტრადიციულად, სილიციუმი (Si) ელექტრონიკის ინდუსტრიაში ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარი იყო, იმდენად, რომ ინდუსტრიების უმეტესობა ამ მასალის გარშემო განვითარდა. სამწუხაროდ, Si-ს შედარებით სუსტი სინათლის შთანთქმის კოეფიციენტი აქვს ახლო ინფრაწითელ (NIR) სპექტრში, სხვა ნახევარგამტარებთან შედარებით, როგორიცაა გალიუმის არსენიდი (GaAs). ამის გამო, GaAs და მასთან დაკავშირებული შენადნობები წარმატებით გამოიყენება ფოტონურ აპლიკაციებში, მაგრამ არ არის თავსებადი ტრადიციულ დამატებით ლითონ-ოქსიდის ნახევარგამტარულ (CMOS) პროცესებთან, რომლებიც გამოიყენება ელექტრონიკის უმეტესი ნაწილის წარმოებაში. ამან გამოიწვია მათი წარმოების ხარჯების მკვეთრი ზრდა.
მკვლევრებმა შეიმუშავეს სილიციუმში ახლო ინფრაწითელი შთანთქმის მნიშვნელოვნად გაზრდის გზა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მაღალი ხარისხის ფოტონური მოწყობილობების ხარჯების შემცირება, ხოლო კალიფორნიის უნივერსიტეტის დევისის კვლევითი ჯგუფი პიონერად მუშაობს ახალ სტრატეგიაზე, რათა მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს სინათლის შთანთქმა სილიციუმის თხელ ფენებში. Advanced Photonics Nexus-ში გამოქვეყნებულ უახლეს ნაშრომში ისინი პირველად აჩვენებენ სილიციუმზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორის ექსპერიმენტულ დემონსტრირებას სინათლის დამჭერი მიკრო და ნანო ზედაპირული სტრუქტურებით, რაც უპრეცედენტო გაუმჯობესებას აღწევს GaAs-თან და სხვა III-V ჯგუფის ნახევარგამტარებთან შედარებით. ფოტოდეტექტორი შედგება მიკრონის სისქის ცილინდრული სილიციუმის ფირფიტისგან, რომელიც განთავსებულია იზოლატორულ სუბსტრატზე, ლითონის „თითებით“, რომლებიც ფირფიტის ზედა ნაწილში მდებარე საკონტაქტო ლითონისგან თითის ჩანგლისებურად არის გადაჭიმული. მნიშვნელოვანია, რომ ხორკლიანი სილიციუმი სავსეა პერიოდული ნიმუშით განლაგებული წრიული ხვრელებით, რომლებიც ფოტონების დამჭერი ადგილების ფუნქციას ასრულებენ. მოწყობილობის საერთო სტრუქტურა იწვევს ნორმალურად დაცემული სინათლის თითქმის 90°-ით მოხრას ზედაპირთან შეჯახებისას, რაც საშუალებას აძლევს მას გვერდითი გზით გავრცელდეს Si სიბრტყის გასწვრივ. გვერდითი გავრცელების ეს რეჟიმები ზრდის სინათლის მოძრაობის სიგრძეს და ეფექტურად ანელებს მას, რაც იწვევს სინათლე-მატერიის ურთიერთქმედების ზრდას და, შესაბამისად, შთანთქმის ზრდას.
მკვლევრებმა ასევე ჩაატარეს ოპტიკური სიმულაციები და თეორიული ანალიზები ფოტონის დამჭერი სტრუქტურების ეფექტების უკეთ გასაგებად და ჩაატარეს რამდენიმე ექსპერიმენტი, რომლებშიც შედარებული იყო ფოტოდეტექტორები მათთან და მათ გარეშე. მათ აღმოაჩინეს, რომ ფოტონის დაჭერამ გამოიწვია ფართოზოლოვანი შთანთქმის ეფექტურობის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება NIR სპექტრში, რომელიც 68%-ზე მეტი დარჩა, პიკი 86%. აღსანიშნავია, რომ ახლო ინფრაწითელ დიაპაზონში ფოტონის დამჭერი ფოტოდეტექტორის შთანთქმის კოეფიციენტი რამდენჯერმე მაღალია ჩვეულებრივი სილიციუმის შთანთქმის კოეფიციენტის მაჩვენებელზე და აღემატება გალიუმის არსენიდს. გარდა ამისა, მიუხედავად იმისა, რომ შემოთავაზებული დიზაინი განკუთვნილია 1 მკმ სისქის სილიციუმის ფირფიტებისთვის, CMOS ელექტრონიკასთან თავსებადი 30 ნმ და 100 ნმ სილიციუმის ფირების სიმულაციები აჩვენებს მსგავს გაუმჯობესებულ მუშაობას.
საერთო ჯამში, ამ კვლევის შედეგები აჩვენებს პერსპექტიულ სტრატეგიას სილიციუმზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორების მუშაობის გაუმჯობესების ახალ ფოტონიკურ აპლიკაციებში. მაღალი შთანთქმის მიღწევა შესაძლებელია ულტრათხელ სილიციუმის ფენებშიც კი, ხოლო წრედის პარაზიტული ტევადობის დაბალი შენარჩუნება შესაძლებელია, რაც კრიტიკულად მნიშვნელოვანია მაღალსიჩქარიან სისტემებში. გარდა ამისა, შემოთავაზებული მეთოდი თავსებადია თანამედროვე CMOS წარმოების პროცესებთან და შესაბამისად, აქვს პოტენციალი, რევოლუცია მოახდინოს ოპტოელექტრონიკის ტრადიციულ წრედებში ინტეგრირების გზაზე. ამან, თავის მხრივ, შეიძლება გზა გაუხსნას მნიშვნელოვან ნახტომებს ხელმისაწვდომი ულტრასწრაფი კომპიუტერული ქსელებისა და ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიების სფეროში.