فناوری جدید ردیاب نوری سیلیکونی نازک

تکنولوژی جدید ازردیاب نوری سیلیکونی نازک
ساختارهای جذب فوتون برای افزایش جذب نور در نازک استفاده می شودآشکارسازهای نوری سیلیکونی
سیستم های فوتونیک به سرعت در بسیاری از کاربردهای نوظهور، از جمله ارتباطات نوری، سنجش لیدار، و تصویربرداری پزشکی، در حال جذب هستند. با این حال، پذیرش گسترده فوتونیک در راه حل های مهندسی آینده به هزینه ساخت بستگی دارد.آشکارسازهای نوری، که به نوبه خود تا حد زیادی به نوع نیمه هادی مورد استفاده برای آن منظور بستگی دارد.
به طور سنتی، سیلیکون (Si) فراگیرترین نیمه هادی در صنعت الکترونیک بوده است، به طوری که بیشتر صنایع حول این ماده رشد کرده اند. متأسفانه Si ضریب جذب نور نسبتاً ضعیفی در طیف مادون قرمز نزدیک (NIR) در مقایسه با سایر نیمه هادی ها مانند آرسنید گالیم (GaAs) دارد. به همین دلیل، GaAs و آلیاژهای مرتبط در کاربردهای فوتونیک رشد می کنند، اما با فرآیندهای سنتی نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS) که در تولید بیشتر وسایل الکترونیکی استفاده می شود، سازگار نیستند. این امر منجر به افزایش شدید هزینه های تولید آنها شد.
محققان راهی ابداع کرده‌اند که جذب مادون قرمز نزدیک در سیلیکون را افزایش می‌دهد، که می‌تواند منجر به کاهش هزینه در دستگاه‌های فوتونیک با کارایی بالا شود، و یک تیم تحقیقاتی UC Davis در حال پیشروی یک استراتژی جدید برای بهبود بسیار زیاد جذب نور در لایه‌های نازک سیلیکونی است. در آخرین مقاله خود در Advanced Photonics Nexus، آنها برای اولین بار یک نمایش آزمایشی از یک آشکارساز نوری مبتنی بر سیلیکون با ساختارهای میکرو و نانو سطح جذب کننده نور را نشان دادند که به بهبود عملکرد بی‌سابقه‌ای قابل مقایسه با GaAs و سایر نیمه‌رساناهای گروه III-V دست یافتند. . ردیاب نوری متشکل از یک صفحه سیلیکونی استوانه‌ای به ضخامت میکرون است که روی یک بستر عایق قرار گرفته است، با "انگشت‌های" فلزی که به صورت چنگال انگشت از فلز تماس در بالای صفحه امتداد می‌یابند. نکته مهم این است که سیلیکون توده‌ای با حفره‌های دایره‌ای پر شده است که در یک الگوی تناوبی قرار گرفته‌اند که به عنوان مکان‌های جذب فوتون عمل می‌کنند. ساختار کلی دستگاه باعث می شود که نور معمولی تابیده شده در هنگام برخورد با سطح نزدیک به 90 درجه خم شود و به آن اجازه انتشار جانبی در امتداد صفحه Si را می دهد. این حالت‌های انتشار جانبی طول سفر نور را افزایش می‌دهند و به طور موثر آن را کاهش می‌دهند، که منجر به فعل و انفعالات بیشتر نور با 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 آزمایش‌های متعددی را در 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 شده است و بالای 68٪ با حداکثر 86٪ باقی می ماند. شایان ذکر است که در باند مادون قرمز نزدیک، ضریب جذب آشکارساز فوتونی گرفتن فوتون چندین برابر بیشتر از سیلیکون معمولی است و از آرسنید گالیم بیشتر است. علاوه بر این، اگرچه طراحی پیشنهادی برای صفحات سیلیکونی با ضخامت 1 میکرومتر است، شبیه‌سازی فیلم‌های سیلیکونی 30 نانومتری و 100 نانومتری سازگار با الکترونیک CMOS عملکرد بهبود یافته مشابهی را نشان می‌دهد.
به طور کلی، نتایج این مطالعه یک استراتژی امیدوارکننده را برای بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون در کاربردهای فوتونیک در حال ظهور نشان می‌دهد. جذب بالا را می توان حتی در لایه های سیلیکونی فوق العاده نازک به دست آورد و ظرفیت انگلی مدار را می توان پایین نگه داشت که در سیستم های پرسرعت بسیار مهم است. علاوه بر این، روش پیشنهادی با فرآیندهای تولید CMOS مدرن سازگار است و بنابراین پتانسیل ایجاد انقلابی در روش ادغام اپتوالکترونیک در مدارهای سنتی را دارد. این به نوبه خود می تواند راه را برای جهش های قابل توجهی در شبکه های کامپیوتری فوق سریع مقرون به صرفه و فناوری تصویربرداری هموار کند.