Νέα τεχνολογία τουλεπτός φωτοανιχνευτής πυριτίου
Οι δομές σύλληψης φωτονίων χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της απορρόφησης φωτός σε λεπτάφωτοανιχνευτές πυριτίου
Τα φωτονικά συστήματα κερδίζουν γρήγορα έδαφος σε πολλές αναδυόμενες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών επικοινωνιών, της ανίχνευσης liDAR και της ιατρικής απεικόνισης. Ωστόσο, η ευρεία υιοθέτηση της φωτονικής σε μελλοντικές μηχανικές λύσεις εξαρτάται από το κόστος κατασκευής.φωτοανιχνευτές, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο ημιαγωγού που χρησιμοποιείται για τον σκοπό αυτό.
Παραδοσιακά, το πυρίτιο (Si) ήταν ο πιο πανταχού παρών ημιαγωγός στη βιομηχανία ηλεκτρονικών, σε τέτοιο βαθμό που οι περισσότερες βιομηχανίες έχουν ωριμάσει γύρω από αυτό το υλικό. Δυστυχώς, το Si έχει σχετικά χαμηλό συντελεστή απορρόφησης φωτός στο φάσμα εγγύς υπέρυθρου (NIR) σε σύγκριση με άλλους ημιαγωγούς όπως το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Εξαιτίας αυτού, το GaAs και τα σχετικά κράματα ευδοκιμούν σε φωτονικές εφαρμογές, αλλά δεν είναι συμβατά με τις παραδοσιακές διεργασίες συμπληρωματικών ημιαγωγών μεταλλοξειδίου (CMOS) που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των περισσότερων ηλεκτρονικών. Αυτό οδήγησε σε απότομη αύξηση του κόστους κατασκευής τους.
Ερευνητές έχουν επινοήσει έναν τρόπο για να βελτιώσουν σημαντικά την απορρόφηση εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας στο πυρίτιο, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μείωση του κόστους σε φωτονικές συσκευές υψηλής απόδοσης, και μια ερευνητική ομάδα του UC Davis πρωτοπορεί σε μια νέα στρατηγική για να βελτιώσει σημαντικά την απορρόφηση φωτός σε λεπτές μεμβράνες πυριτίου. Στην τελευταία τους δημοσίευση στο Advanced Photonics Nexus, παρουσιάζουν για πρώτη φορά μια πειραματική επίδειξη ενός φωτοανιχνευτή με βάση το πυρίτιο με μικρο- και νανο-επιφανειακές δομές που συλλαμβάνουν φως, επιτυγχάνοντας πρωτοφανείς βελτιώσεις στην απόδοση συγκρίσιμες με το GaAs και άλλους ημιαγωγούς ομάδας III-V. Ο φωτοανιχνευτής αποτελείται από μια κυλινδρική πλάκα πυριτίου πάχους ενός μικρού τοποθετημένη σε ένα μονωτικό υπόστρωμα, με μεταλλικά "δάχτυλα" που εκτείνονται σαν πιρούνι από το μέταλλο επαφής στην κορυφή της πλάκας. Είναι σημαντικό ότι το άμορφο πυρίτιο είναι γεμάτο με κυκλικές οπές διατεταγμένες σε περιοδικό μοτίβο που λειτουργούν ως θέσεις σύλληψης φωτονίων. Η συνολική δομή της συσκευής προκαλεί την κάμψη του κανονικά προσπίπτοντος φωτός κατά σχεδόν 90° όταν χτυπά την επιφάνεια, επιτρέποντάς του να διαδοθεί πλευρικά κατά μήκος του επιπέδου Si. Αυτοί οι πλευρικοί τρόποι διάδοσης αυξάνουν το μήκος του ταξιδιού του φωτός και το επιβραδύνουν αποτελεσματικά, οδηγώντας σε περισσότερες αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης και έτσι σε αυξημένη απορρόφηση.
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης οπτικές προσομοιώσεις και θεωρητικές αναλύσεις για να κατανοήσουν καλύτερα τις επιδράσεις των δομών σύλληψης φωτονίων και διεξήγαγαν διάφορα πειράματα συγκρίνοντας φωτοανιχνευτές με και χωρίς αυτούς. Διαπίστωσαν ότι η σύλληψη φωτονίων οδήγησε σε σημαντική βελτίωση στην απόδοση απορρόφησης ευρυζωνικής ζώνης στο φάσμα NIR, παραμένοντας πάνω από 68% με κορύφωση 86%. Αξίζει να σημειωθεί ότι στη ζώνη εγγύς υπέρυθρου, ο συντελεστής απορρόφησης του φωτοανιχνευτή σύλληψης φωτονίων είναι αρκετές φορές υψηλότερος από αυτόν του συνηθισμένου πυριτίου, υπερβαίνοντας το αρσενικούχο γάλλιο. Επιπλέον, αν και ο προτεινόμενος σχεδιασμός αφορά πλάκες πυριτίου πάχους 1μm, οι προσομοιώσεις μεμβρανών πυριτίου 30 nm και 100 nm συμβατών με ηλεκτρονικά CMOS δείχνουν παρόμοια βελτιωμένη απόδοση.
Συνολικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης καταδεικνύουν μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοανιχνευτών με βάση το πυρίτιο σε αναδυόμενες εφαρμογές φωτονικής. Υψηλή απορρόφηση μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και σε εξαιρετικά λεπτά στρώματα πυριτίου και η παρασιτική χωρητικότητα του κυκλώματος μπορεί να διατηρηθεί χαμηλή, κάτι που είναι κρίσιμο σε συστήματα υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μέθοδος είναι συμβατή με τις σύγχρονες διαδικασίες κατασκευής CMOS και ως εκ τούτου έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο ενσωματώνονται τα οπτοηλεκτρονικά στα παραδοσιακά κυκλώματα. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για σημαντικά άλματα σε προσιτά υπερταχέα δίκτυα υπολογιστών και τεχνολογία απεικόνισης.
Ώρα δημοσίευσης: 12 Νοεμβρίου 2024