Բարակ սիլիցիումային լուսադետեկտորի նոր տեխնոլոգիա

Նոր տեխնոլոգիաբարակ սիլիցիումային լուսադետեկտոր
Ֆոտոնային որսացող կառուցվածքները օգտագործվում են բարակ լույսի կլանումը բարելավելու համարսիլիկոնային լուսադետեկտորներ
Ֆոտոնային համակարգերը արագորեն տարածում են գտնում բազմաթիվ զարգացող կիրառություններում, այդ թվում՝ օպտիկական հաղորդակցություններում, liDAR զգայունակության և բժշկական պատկերագրության մեջ։ Այնուամենայնիվ, ֆոտոնիկայի լայնորեն կիրառումը ապագա ճարտարագիտական ​​լուծումներում կախված է արտադրության արժեքից։ֆոտոդետեկտորներ, որն էլ իր հերթին մեծապես կախված է այդ նպատակով օգտագործվող կիսահաղորդչի տեսակից։
Ավանդաբար, սիլիցիումը (Si) եղել է ամենատարածված կիսահաղորդիչը էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության մեջ, այնքանով, որ արդյունաբերությունների մեծ մասը զարգացել է այս նյութի շուրջ: Դժբախտաբար, Si-ն ունի համեմատաբար թույլ լույսի կլանման գործակից մոտիկ ինֆրակարմիր (NIR) սպեկտրում՝ համեմատած այլ կիսահաղորդիչների, ինչպիսին է գալիումի արսենիդը (GaAs): Դրա պատճառով GaAs-ը և դրանց հետ կապված համաձուլվածքները ծաղկում են ֆոտոնային կիրառություններում, բայց համատեղելի չեն էլեկտրոնիկայի մեծ մասի արտադրության մեջ օգտագործվող ավանդական լրացուցիչ մետաղ-օքսիդային կիսահաղորդչային (CMOS) գործընթացների հետ: Սա հանգեցրել է դրանց արտադրական ծախսերի կտրուկ աճի:
Հետազոտողները մշակել են սիլիցիումի մոտ ինֆրակարմիր կլանումը զգալիորեն բարելավելու միջոց, որը կարող է հանգեցնել բարձր արդյունավետությամբ ֆոտոնային սարքերի ծախսերի կրճատման, և UC Davis-ի հետազոտական ​​​​խումբը առաջատար դեր է խաղում սիլիցիումի բարակ թաղանթներում լույսի կլանումը զգալիորեն բարելավելու նոր ռազմավարության մեջ: Advanced Photonics Nexus-ում հրապարակված իրենց վերջին հոդվածում նրանք առաջին անգամ ցուցադրում են սիլիցիումի վրա հիմնված լուսադետեկտորի փորձարարական ցուցադրություն՝ լույսը որսալու միկրո և նանո մակերևութային կառուցվածքներով, որոնք հասնում են GaAs-ի և այլ III-V խմբի կիսահաղորդիչների հետ համեմատելի աննախադեպ կատարողականության բարելավումների: Լուսադետեկտորը բաղկացած է միկրոն հաստությամբ գլանաձև սիլիցիումային թիթեղից, որը տեղադրված է մեկուսիչ հիմքի վրա, որի մետաղական «մատները» տարածվում են մատի պատառաքաղի ձևով թիթեղի վերևի մասում գտնվող կոնտակտային մետաղից: Կարևոր է, որ գնդաձև սիլիցիումը լցված է պարբերական նախշով դասավորված շրջանաձև անցքերով, որոնք հանդես են գալիս որպես ֆոտոնների որսման վայրեր: Սարքի ընդհանուր կառուցվածքը ստիպում է սովորաբար ընկնող լույսին ծռվել գրեթե 90°-ով, երբ այն հարվածում է մակերեսին, թույլ տալով այն լայնորեն տարածվել Si հարթության երկայնքով: Այս կողմնային տարածման ռեժիմները մեծացնում են լույսի ճանապարհորդության երկարությունը և արդյունավետորեն դանդաղեցնում այն, ինչը հանգեցնում է լույս-նյութի ավելի շատ փոխազդեցությունների և, հետևաբար, կլանման աճի։
Հետազոտողները նաև անցկացրել են օպտիկական մոդելավորումներ և տեսական վերլուծություններ՝ ֆոտոնային որսացող կառուցվածքների ազդեցությունն ավելի լավ հասկանալու համար, և մի քանի փորձեր են անցկացրել՝ համեմատելով ֆոտոդետեկտորները դրանցով և առանց դրանց: Նրանք պարզել են, որ ֆոտոնային որսացումը հանգեցրել է լայնաշերտ կլանման արդյունավետության զգալի բարելավման NIR սպեկտրում՝ մնալով 68%-ից բարձր՝ հասնելով 86% գագաթնակետի: Հարկ է նշել, որ մոտ ինֆրակարմիր տիրույթում ֆոտոնային որսացող ֆոտոդետեկտորի կլանման գործակիցը մի քանի անգամ ավելի բարձր է, քան սովորական սիլիցիումինը, գերազանցելով գալիումի արսենիդը: Բացի այդ, չնայած առաջարկվող դիզայնը նախատեսված է 1 մկմ հաստությամբ սիլիցիումային թիթեղների համար, CMOS էլեկտրոնիկայի հետ համատեղելի 30 նմ և 100 նմ սիլիցիումային թաղանթների մոդելավորումները ցույց են տալիս նմանատիպ բարելավված աշխատանք:
Ընդհանուր առմամբ, այս ուսումնասիրության արդյունքները ցույց են տալիս խոստումնալից ռազմավարություն՝ սիլիցիումի վրա հիմնված լուսադետեկտորների աշխատանքը բարելավելու համար նորաստեղծ ֆոտոնիկ կիրառություններում: Բարձր կլանման կարելի է հասնել նույնիսկ գերբարակ սիլիցիումային շերտերում, և սխեմայի պարազիտային տարողունակությունը կարելի է ցածր պահել, ինչը կարևոր է բարձր արագության համակարգերում: Բացի այդ, առաջարկվող մեթոդը համատեղելի է ժամանակակից CMOS արտադրական գործընթացների հետ և, հետևաբար, ունի ներուժ՝ հեղափոխելու օպտոէլեկտրոնիկայի ինտեգրման եղանակը ավանդական սխեմաներում: Սա, իր հերթին, կարող է հիմք հանդիսանալ մատչելի գերարագ համակարգչային ցանցերի և պատկերման տեխնոլոգիաների էական առաջընթացի համար: