Բարակ սիլիցիումային ֆոտոդետեկտորի նոր տեխնոլոգիա

-ի նոր տեխնոլոգիաբարակ սիլիցիումի ֆոտոդետեկտոր
Ֆոտոնների գրավման կառուցվածքները օգտագործվում են բարակ լույսի կլանումը ուժեղացնելու համարսիլիկոնային ֆոտոդետեկտորներ
Ֆոտոնային համակարգերը արագորեն տարածվում են բազմաթիվ զարգացող ծրագրերում, ներառյալ օպտիկական հաղորդակցությունները, liDAR զգայարանները և բժշկական պատկերները: Այնուամենայնիվ, ֆոտոնիկայի համատարած ընդունումը ապագա ինժեներական լուծումներում կախված է արտադրության արժեքից.ֆոտոդետեկտորներ, որն իր հերթին մեծապես կախված է այդ նպատակով օգտագործվող կիսահաղորդչի տեսակից։
Ավանդաբար, սիլիցիումը (Si) եղել է ամենահայտնի կիսահաղորդիչը էլեկտրոնիկայի արդյունաբերության մեջ, այնքան, որ արդյունաբերության մեծ մասը հասունացել է այս նյութի շուրջ: Ցավոք սրտի, Si-ն ունի համեմատաբար թույլ լույսի կլանման գործակից մոտ ինֆրակարմիր (NIR) սպեկտրում՝ համեմատած այլ կիսահաղորդիչների, ինչպիսիք են գալիումի արսենիդը (GaAs): Դրա պատճառով GaA-ները և հարակից համաձուլվածքները ծաղկում են ֆոտոնիկ կիրառություններում, սակայն համատեղելի չեն ավանդական լրացուցիչ մետաղական օքսիդ կիսահաղորդչային (CMOS) գործընթացների հետ, որոնք օգտագործվում են էլեկտրոնիկայի մեծ մասի արտադրության մեջ: Սա հանգեցրեց դրանց արտադրության ծախսերի կտրուկ աճին:
Հետազոտողները մշակել են սիլիցիումի մոտ ինֆրակարմիր կլանումը մեծապես ուժեղացնելու միջոց, որը կարող է հանգեցնել բարձր արդյունավետությամբ ֆոտոնային սարքերի ծախսերի կրճատմանը, և UC Davis հետազոտական ​​թիմը նոր ռազմավարություն է ստեղծում՝ զգալիորեն բարելավելու լույսի կլանումը սիլիցիումի բարակ թաղանթներում: Advanced Photonics Nexus-ի իրենց վերջին աշխատության մեջ նրանք առաջին անգամ ցուցադրեցին սիլիցիումի վրա հիմնված ֆոտոդետեկտորի փորձարարական ցուցադրություն՝ լույս գրավող միկրո և նանոմակերևույթի կառուցվածքներով՝ հասնելով աննախադեպ կատարողական բարելավումների, որոնք համեմատելի են GaAs-ի և III-V խմբի այլ կիսահաղորդիչների հետ: . Ֆոտոդետեկտորը բաղկացած է միկրոն հաստությամբ գլանաձև սիլիկոնե թիթեղից, որը տեղադրված է մեկուսիչ հիմքի վրա, մետաղական «մատներով»՝ ափսեի վերևում գտնվող կոնտակտային մետաղից տարածվող մետաղական «մատներով»: Կարևոր է, որ սիլիցիումը լցված է շրջանաձև անցքերով, որոնք դասավորված են պարբերական ձևով, որոնք հանդես են գալիս որպես ֆոտոնների գրավման վայրեր: Սարքի ընդհանուր կառուցվածքը հանգեցնում է նրան, որ սովորաբար ընկնող լույսը մակերեսին դիպչելիս թեքվում է մոտ 90°-ով, ինչը թույլ է տալիս նրան տարածվել Si հարթության երկայնքով: Այս կողային տարածման եղանակները մեծացնում են լույսի ճանապարհորդության երկարությունը և արդյունավետորեն դանդաղեցնում այն՝ հանգեցնելով լույսի նյութի ավելի շատ փոխազդեցությունների և այդպիսով մեծացնելով կլանումը:
Հետազոտողները նաև իրականացրել են օպտիկական սիմուլյացիաներ և տեսական վերլուծություններ՝ ավելի լավ հասկանալու ֆոտոնների գրավման կառուցվածքների ազդեցությունը և մի քանի փորձեր են անցկացրել՝ համեմատելով ֆոտոդետեկտորները դրանցով և առանց դրանց: Նրանք պարզեցին, որ ֆոտոնների գրավումը հանգեցրեց լայնաշերտ կլանման արդյունավետության զգալի բարելավմանը NIR սպեկտրում՝ մնալով 68%-ից բարձր՝ 86% գագաթնակետով: Հարկ է նշել, որ մոտ ինֆրակարմիր գոտում ֆոտոնների գրավման ֆոտոդետեկտորի կլանման գործակիցը մի քանի անգամ ավելի բարձր է, քան սովորական սիլիցիումը՝ գերազանցելով գալիումի արսենիդին։ Բացի այդ, թեև առաջարկվող դիզայնը նախատեսված է 1 մկմ հաստությամբ սիլիցիումային թիթեղների համար, CMOS էլեկտրոնիկայի հետ համատեղելի 30 նմ և 100 նմ սիլիկոնային թաղանթների մոդելավորումը ցույց է տալիս նմանատիպ ուժեղացված կատարում:
Ընդհանուր առմամբ, այս ուսումնասիրության արդյունքները ցույց են տալիս խոստումնալից ռազմավարություն սիլիցիումի վրա հիմնված ֆոտոդետեկտորների աշխատանքի բարելավման համար՝ առաջացող ֆոտոնիկայի կիրառություններում: Բարձր կլանումը կարելի է ձեռք բերել նույնիսկ ծայրահեղ բարակ սիլիցիումի շերտերում, և շղթայի մակաբուծական հզորությունը կարելի է ցածր պահել, ինչը կարևոր է բարձր արագությամբ համակարգերում: Բացի այդ, առաջարկվող մեթոդը համատեղելի է CMOS-ի արտադրության ժամանակակից գործընթացների հետ և, հետևաբար, կարող է հեղափոխել օպտոէլեկտրոնիկայի ավանդական սխեմաների մեջ ինտեգրվելու ձևը: Սա, իր հերթին, կարող է ճանապարհ հարթել էական թռիչքների համար մատչելի ուլտրարագ համակարգչային ցանցերի և պատկերային տեխնոլոգիաների ոլորտում: