เทคโนโลยีใหม่ของโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนบาง

เทคโนโลยีใหม่ของโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนบาง
โครงสร้างดักจับโฟตอนถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มการดูดซับแสงในวัสดุบางโฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอน
ระบบโฟโตนิกส์กำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในแอปพลิเคชันใหม่ๆ มากมาย รวมถึงการสื่อสารด้วยแสง การตรวจจับด้วย LiDAR และการถ่ายภาพทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม การนำโฟโตนิกส์มาใช้ในวงกว้างในโซลูชันทางวิศวกรรมในอนาคตนั้นขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิตเครื่องตรวจจับแสงซึ่งในทางกลับกันก็ขึ้นอยู่กับประเภทของสารกึ่งตัวนำที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์นั้นเป็นอย่างมาก
โดยทั่วไปแล้ว ซิลิคอน (Si) เป็นสารกึ่งตัวนำที่พบได้ทั่วไปมากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ จนกระทั่งอุตสาหกรรมส่วนใหญ่พัฒนาไปพร้อมกับวัสดุนี้ อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับแสงในย่านอินฟราเรดใกล้ (NIR) ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ด้วยเหตุนี้ GaAs และโลหะผสมที่เกี่ยวข้องจึงได้รับความนิยมในงานด้านโฟโตนิกส์ แต่ไม่สามารถใช้งานร่วมกับกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม (CMOS) แบบดั้งเดิมที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ได้ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการเพิ่มการดูดซับรังสีอินฟราเรดใกล้ในซิลิคอนอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การลดต้นทุนในอุปกรณ์โฟโตนิกส์ประสิทธิภาพสูง และทีมวิจัยจาก UC Davis กำลังบุกเบิกกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการดูดซับแสงในฟิล์มบางซิลิคอนอย่างมาก ในบทความล่าสุดของพวกเขาใน Advanced Photonics Nexus พวกเขาได้สาธิตเป็นครั้งแรกถึงการทดลองใช้งานโฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากซิลิคอน โดยมีโครงสร้างพื้นผิวขนาดไมโครและนาโนที่สามารถดักจับแสงได้ ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน เทียบเท่ากับ GaAs และสารกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V อื่นๆ โฟโตดีเทคเตอร์ประกอบด้วยแผ่นซิลิคอนทรงกระบอกหนาไมครอนวางอยู่บนพื้นผิวฉนวน โดยมี "นิ้ว" โลหะยื่นออกมาในลักษณะคล้ายง่ามจากโลหะสัมผัสที่ด้านบนของแผ่น ที่สำคัญคือ ซิลิคอนที่เป็นปุ่มๆ นั้นเต็มไปด้วยรูวงกลมที่จัดเรียงเป็นรูปแบบเป็นระยะๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดดักจับโฟตอน โครงสร้างโดยรวมของอุปกรณ์ทำให้แสงที่ตกกระทบในแนวตั้งฉากเบี่ยงเบนไปเกือบ 90° เมื่อกระทบกับพื้นผิว ทำให้แสงสามารถแพร่กระจายไปในแนวราบตามระนาบของซิลิคอนได้ โหมดการแพร่กระจายในแนวราบนี้จะเพิ่มระยะทางในการเดินทางของแสงและทำให้แสงช้าลงอย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารมากขึ้น และส่งผลให้การดูดซับเพิ่มขึ้น
นักวิจัยยังได้ทำการจำลองทางแสงและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจผลกระทบของโครงสร้างการดักจับโฟตอนให้ดียิ่งขึ้น และได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อเปรียบเทียบโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีและไม่มีโครงสร้างดังกล่าว พวกเขาพบว่าการดักจับโฟตอนทำให้ประสิทธิภาพการดูดซับแบบบรอดแบนด์ในสเปกตรัม NIR ดีขึ้นอย่างมาก โดยคงอยู่เหนือ 68% และสูงสุดถึง 86% ที่น่าสังเกตคือ ในย่านอินฟราเรดใกล้ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของโฟโตดีเทคเตอร์แบบดักจับโฟตอนนั้นสูงกว่าซิลิคอนธรรมดาหลายเท่า และสูงกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์ นอกจากนี้ แม้ว่าการออกแบบที่เสนอจะเป็นสำหรับแผ่นซิลิคอนหนา 1 ไมโครเมตร แต่การจำลองฟิล์มซิลิคอน 30 นาโนเมตรและ 100 นาโนเมตรที่เข้ากันได้กับอิเล็กทรอนิกส์ CMOS ก็แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในลักษณะเดียวกัน
โดยรวมแล้ว ผลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่น่าสนใจในการปรับปรุงประสิทธิภาพของโฟโตดีเทคเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนในแอปพลิเคชันโฟโตนิกส์ที่กำลังเกิดขึ้นใหม่ สามารถดูดซับแสงได้สูงแม้ในชั้นซิลิคอนที่บางมาก และสามารถลดค่าความจุปรสิตของวงจรให้ต่ำ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในระบบความเร็วสูง นอกจากนี้ วิธีการที่เสนอมานี้ยังเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS สมัยใหม่ ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่จะปฏิวัติวิธีการบูรณาการออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับวงจรแบบดั้งเดิม ซึ่งจะนำไปสู่ความก้าวหน้าอย่างมากในเครือข่ายคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงราคาประหยัดและเทคโนโลยีการถ่ายภาพ