เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับภาพซิลิคอนบาง

เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับภาพซิลิคอนบาง
โครงสร้างการจับโฟตอนใช้เพื่อเพิ่มการดูดซับแสงในที่บางเครื่องตรวจจับแสงซิลิคอน
ระบบโฟโตนิกส์กำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในแอปพลิเคชันใหม่ๆ มากมาย รวมถึงการสื่อสารด้วยแสง การตรวจจับด้วย LiDAR และการถ่ายภาพทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม การนำโฟโตนิกส์มาใช้อย่างแพร่หลายในโซลูชันทางวิศวกรรมในอนาคตนั้นขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิตเครื่องตรวจจับแสงซึ่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของสารกึ่งตัวนำที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นั้นเป็นหลัก
โดยทั่วไปแล้ว ซิลิคอน (Si) เป็นสารกึ่งตัวนำที่แพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ จนกระทั่งอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้พัฒนาวัสดุชนิดนี้ให้เติบโตเต็มที่ น่าเสียดายที่ซิลิคอนมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (NIR) ที่ค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ด้วยเหตุนี้ GaAs และโลหะผสมที่เกี่ยวข้องจึงได้รับความนิยมในการใช้งานโฟโตนิกส์ แต่ไม่สามารถใช้ร่วมกับกระบวนการสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์เสริม (CMOS) แบบดั้งเดิมที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ได้ ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการเพิ่มการดูดกลืนแสงอินฟราเรดใกล้ในซิลิคอนอย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การลดต้นทุนของอุปกรณ์โฟโตนิกส์ประสิทธิภาพสูง และทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เดวิส กำลังบุกเบิกกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการดูดกลืนแสงในฟิล์มบางซิลิคอนอย่างมาก ในรายงานล่าสุดที่ Advanced Photonics Nexus พวกเขาได้สาธิตการทดลองของโฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนเป็นครั้งแรก ซึ่งมีโครงสร้างพื้นผิวระดับไมโครและนาโนที่สามารถจับแสงได้ ซึ่งบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพที่ไม่เคยมีมาก่อน เทียบเท่ากับ GaAs และสารกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V อื่นๆ โฟโตดีเทกเตอร์ประกอบด้วยแผ่นซิลิคอนทรงกระบอกหนาระดับไมครอน วางอยู่บนวัสดุฉนวน โดยมี "นิ้ว" โลหะยื่นออกมาในลักษณะนิ้วชี้จากโลหะสัมผัสที่ด้านบนของแผ่น ที่สำคัญ ซิลิคอนที่เป็นก้อนจะถูกเติมด้วยรูวงกลมที่เรียงตัวกันเป็นคาบ ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดจับโฟตอน โครงสร้างโดยรวมของอุปกรณ์ทำให้แสงที่ตกกระทบปกติโค้งงอเกือบ 90° เมื่อกระทบพื้นผิว ทำให้แสงสามารถแพร่กระจายไปด้านข้างตามระนาบ Si ได้ โหมดการแพร่กระจายด้านข้างเหล่านี้ช่วยเพิ่มระยะทางเดินทางของแสงและชะลอความเร็วลงอย่างมีประสิทธิภาพ นำไปสู่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารมากขึ้น ส่งผลให้การดูดกลืนแสงเพิ่มขึ้น
นักวิจัยยังได้ทำการจำลองเชิงแสงและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเพื่อทำความเข้าใจผลกระทบของโครงสร้างการจับยึดโฟตอนให้ดียิ่งขึ้น และได้ทำการทดลองหลายครั้งโดยเปรียบเทียบตัวตรวจจับโฟตอนที่มีและไม่มีตัวตรวจจับโฟตอน พวกเขาพบว่าการจับยึดโฟตอนทำให้ประสิทธิภาพการดูดกลืนแสงแบบบรอดแบนด์ในสเปกตรัม NIR ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยสูงกว่า 68% และมีจุดสูงสุดที่ 86% ที่น่าสังเกตคือในย่านอินฟราเรดใกล้ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของตัวตรวจจับโฟตอนที่จับยึดโฟตอนมีค่าสูงกว่าซิลิคอนทั่วไปหลายเท่า ซึ่งสูงกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์ นอกจากนี้ แม้ว่าการออกแบบที่เสนอจะใช้สำหรับแผ่นซิลิคอนหนา 1 ไมโครเมตร แต่การจำลองฟิล์มซิลิคอนขนาด 30 นาโนเมตรและ 100 นาโนเมตรที่เข้ากันได้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ CMOS ก็แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในระดับเดียวกัน
โดยรวมแล้ว ผลการศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของโฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนในการประยุกต์ใช้โฟโตนิกส์ที่กำลังเติบโต ความสามารถในการดูดซับสูงสามารถทำได้แม้ในชั้นซิลิคอนที่บางเฉียบ และสามารถควบคุมความจุปรสิตของวงจรให้อยู่ในระดับต่ำ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบความเร็วสูง นอกจากนี้ วิธีการที่นำเสนอยังเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS สมัยใหม่ จึงมีศักยภาพที่จะปฏิวัติวิธีการผสานรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับวงจรแบบดั้งเดิม ซึ่งจะนำไปสู่ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านเครือข่ายคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงและเทคโนโลยีการถ่ายภาพที่ราคาไม่แพง