เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนแบบบาง

เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนบาง ๆ
โครงสร้างการจับโฟตอนใช้เพื่อเพิ่มการดูดกลืนแสงในแผ่นบางเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอน
ระบบโฟโตนิกกำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในการใช้งานใหม่ๆ มากมาย รวมถึงการสื่อสารด้วยแสง การตรวจจับ LiDAR และการสร้างภาพทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม การนำโฟโตนิกส์มาใช้อย่างแพร่หลายในโซลูชั่นทางวิศวกรรมในอนาคตนั้นขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิตเครื่องตรวจจับแสงซึ่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นั้นเป็นหลัก
ตามเนื้อผ้า ซิลิคอน (Si) เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่แพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ มากเสียจนอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เติบโตเต็มที่โดยใช้วัสดุนี้ น่าเสียดายที่ Si มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงค่อนข้างต่ำในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (NIR) เมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ด้วยเหตุนี้ GaAs และโลหะผสมที่เกี่ยวข้องจึงเจริญรุ่งเรืองในการใช้งานโฟโตนิก แต่ไม่เข้ากันกับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (CMOS) แบบดั้งเดิมที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ สิ่งนี้ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการเพิ่มการดูดกลืนแสงอินฟราเรดใกล้ในซิลิคอนอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การลดต้นทุนในอุปกรณ์โฟโตนิกประสิทธิภาพสูง และทีมวิจัยของ UC Davis กำลังบุกเบิกกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการดูดกลืนแสงในฟิล์มบางของซิลิคอนอย่างมาก ในรายงานล่าสุดของพวกเขาที่ Advanced Photonics Nexus พวกเขาสาธิตเป็นครั้งแรกในการสาธิตการทดลองเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิกอนพร้อมโครงสร้างไมโครและพื้นผิวนาโนที่จับแสง บรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนเทียบได้กับ GaAs และเซมิคอนดักเตอร์กลุ่ม III-V อื่นๆ . เครื่องตรวจจับแสงประกอบด้วยแผ่นซิลิโคนทรงกระบอกหนาไมครอนที่วางอยู่บนพื้นผิวที่เป็นฉนวน โดยมี "นิ้ว" โลหะที่ยื่นออกมาในรูปแบบส้อมนิ้วจากโลหะหน้าสัมผัสที่ด้านบนของแผ่น ที่สำคัญซิลิคอนที่เป็นก้อนนั้นเต็มไปด้วยรูกลมที่จัดเรียงในรูปแบบคาบซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดจับโฟตอน โครงสร้างโดยรวมของอุปกรณ์ทำให้แสงที่ตกกระทบตามปกติโค้งงอเกือบ 90° เมื่อกระทบกับพื้นผิว ทำให้สามารถกระจายไปในแนวขวางตามแนวระนาบ Si โหมดการแพร่กระจายด้านข้างเหล่านี้จะเพิ่มระยะเวลาการเดินทางของแสงและชะลอความเร็วลงอย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสสารมากขึ้นและทำให้การดูดกลืนแสงเพิ่มขึ้น
นักวิจัยยังได้ทำการจำลองด้วยแสงและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจผลกระทบของโครงสร้างการจับโฟตอนให้ดียิ่งขึ้น และทำการทดลองหลายครั้งโดยเปรียบเทียบเครื่องตรวจจับแสงที่มีและไม่มีพวกมัน พวกเขาพบว่าการจับโฟตอนนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพการดูดซับบรอดแบนด์ในสเปกตรัม NIR ให้ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยอยู่เหนือ 68% โดยมีจุดสูงสุดที่ 86% เป็นที่น่าสังเกตว่าในแถบอินฟราเรดใกล้ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของเครื่องตรวจจับโฟตอนจับโฟตอนจะสูงกว่าซิลิคอนธรรมดาหลายเท่า ซึ่งเกินกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์ นอกจากนี้ แม้ว่าการออกแบบที่เสนอไว้สำหรับแผ่นซิลิคอนหนา 1μm แต่การจำลองฟิล์มซิลิคอน 30 นาโนเมตรและ 100 นาโนเมตรที่เข้ากันได้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ CMOS ก็แสดงประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุงที่คล้ายกัน
โดยรวมแล้วผลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิคอนในการใช้งานโฟโตนิกส์ที่เกิดขึ้นใหม่ การดูดซับสูงสามารถทำได้แม้ในชั้นซิลิคอนบางเฉียบ และค่าความจุปรสิตของวงจรสามารถรักษาให้ต่ำได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในระบบความเร็วสูง นอกจากนี้ วิธีการที่นำเสนอยังเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS สมัยใหม่ ดังนั้นจึงมีศักยภาพในการปฏิวัติวิธีการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับวงจรแบบดั้งเดิม สิ่งนี้สามารถปูทางไปสู่การก้าวกระโดดอย่างมากในเครือข่ายคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีการถ่ายภาพที่รวดเร็วเป็นพิเศษในราคาย่อมเยา