فناوری جدید ازآشکارساز نوری سیلیکونی نازک
ساختارهای جذب فوتون برای افزایش جذب نور در لایه‌های نازک استفاده می‌شوند.آشکارسازهای نوری سیلیکونی
سیستم‌های فوتونیک به سرعت در بسیاری از کاربردهای نوظهور، از جمله ارتباطات نوری، حسگرهای لیدار و تصویربرداری پزشکی، مورد توجه قرار می‌گیرند. با این حال، پذیرش گسترده فوتونیک در راه‌حل‌های مهندسی آینده به هزینه تولید بستگی دارد.آشکارسازهای نوریکه به نوبه خود تا حد زیادی به نوع نیمه هادی مورد استفاده برای آن منظور بستگی دارد.
به طور سنتی، سیلیکون (Si) فراگیرترین نیمه‌رسانا در صنعت الکترونیک بوده است، به طوری که اکثر صنایع حول این ماده بالغ شده‌اند. متأسفانه، سیلیکون در مقایسه با سایر نیمه‌رساناها مانند گالیوم آرسنید (GaAs) ضریب جذب نور نسبتاً ضعیفی در طیف مادون قرمز نزدیک (NIR) دارد. به همین دلیل، GaAs و آلیاژهای مرتبط در کاربردهای فوتونیک رونق دارند، اما با فرآیندهای سنتی نیمه‌رسانای اکسید فلزی مکمل (CMOS) که در تولید اکثر لوازم الکترونیکی استفاده می‌شود، سازگار نیستند. این امر منجر به افزایش شدید هزینه‌های تولید آنها شد.
محققان روشی برای افزایش قابل توجه جذب فروسرخ نزدیک در سیلیکون ابداع کرده‌اند که می‌تواند منجر به کاهش هزینه در دستگاه‌های فوتونیکی با کارایی بالا شود و یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، در حال ارائه یک استراتژی جدید برای بهبود قابل توجه جذب نور در لایه‌های نازک سیلیکونی است. آنها در آخرین مقاله خود در Advanced Photonics Nexus، برای اولین بار یک نمایش تجربی از یک آشکارساز نوری مبتنی بر سیلیکون با ساختارهای سطحی میکرو و نانو که نور را جذب می‌کنند، ارائه می‌دهند و به بهبودهای عملکردی بی‌سابقه‌ای در مقایسه با GaAs و سایر نیمه‌رساناهای گروه III-V دست می‌یابند. این آشکارساز نوری شامل یک صفحه سیلیکونی استوانه‌ای به ضخامت میکرون است که روی یک زیرلایه عایق قرار گرفته است و "انگشتان" فلزی آن به شکل چنگال انگشتی از فلز تماس در بالای صفحه امتداد یافته‌اند. نکته مهم این است که سیلیکون ناهموار پر از سوراخ‌های دایره‌ای است که در یک الگوی تناوبی مرتب شده‌اند و به عنوان مکان‌های جذب فوتون عمل می‌کنند. ساختار کلی دستگاه باعث می‌شود که نور ورودی معمولی هنگام برخورد به سطح تقریباً 90 درجه خم شود و به آن اجازه می‌دهد تا به صورت جانبی در امتداد صفحه Si منتشر شود. این حالت‌های انتشار جانبی، طول مسیر نور را افزایش داده و به طور مؤثر آن را کند می‌کنند که منجر به برهمکنش‌های بیشتر نور-ماده و در نتیجه افزایش جذب می‌شود.
محققان همچنین شبیه‌سازی‌های نوری و تحلیل‌های نظری را برای درک بهتر اثرات ساختارهای جذب فوتون انجام دادند و چندین آزمایش را با مقایسه آشکارسازهای نوری با و بدون آنها انجام دادند. آنها دریافتند که جذب فوتون منجر به بهبود قابل توجهی در راندمان جذب پهنای باند در طیف NIR می‌شود و بالای 68٪ با حداکثر 86٪ باقی می‌ماند. شایان ذکر است که در باند مادون قرمز نزدیک، ضریب جذب آشکارساز نوری جذب فوتون چندین برابر بیشتر از سیلیکون معمولی است و از گالیوم آرسنید فراتر می‌رود. علاوه بر این، اگرچه طرح پیشنهادی برای صفحات سیلیکونی با ضخامت 1 میکرومتر است، شبیه‌سازی‌های فیلم‌های سیلیکونی 30 نانومتر و 100 نانومتر سازگار با الکترونیک CMOS عملکرد بهبود یافته مشابهی را نشان می‌دهد.
به طور کلی، نتایج این مطالعه یک استراتژی امیدوارکننده برای بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون در کاربردهای نوظهور فوتونیک نشان می‌دهد. جذب بالا حتی در لایه‌های سیلیکونی بسیار نازک نیز قابل دستیابی است و می‌توان ظرفیت خازنی پارازیتی مدار را پایین نگه داشت، که در سیستم‌های پرسرعت بسیار مهم است. علاوه بر این، روش پیشنهادی با فرآیندهای تولید CMOS مدرن سازگار است و بنابراین پتانسیل ایجاد انقلابی در نحوه ادغام الکترونیک نوری در مدارهای سنتی را دارد. این به نوبه خود می‌تواند راه را برای جهش‌های قابل توجه در شبکه‌های کامپیوتری فوق سریع مقرون به صرفه و فناوری تصویربرداری هموار کند.
زمان ارسال: ۱۲ نوامبر ۲۰۲۴