เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับภาพซิลิกอนบาง

เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับภาพซิลิกอนบาง
โครงสร้างการจับโฟตอนใช้เพื่อเพิ่มการดูดซับแสงในที่บางเครื่องตรวจจับแสงซิลิกอน
ระบบโฟโตนิกส์กำลังได้รับความนิยมอย่างรวดเร็วในแอปพลิเคชันใหม่ๆ มากมาย รวมถึงการสื่อสารด้วยแสง การตรวจจับด้วย LiDAR และการถ่ายภาพทางการแพทย์ อย่างไรก็ตาม การนำโฟโตนิกส์มาใช้ในโซลูชันทางวิศวกรรมในอนาคตนั้นขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิตเครื่องตรวจจับแสงซึ่งจะขึ้นอยู่กับประเภทของเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นั้นเป็นหลัก
โดยทั่วไปแล้ว ซิลิกอน (Si) เป็นสารกึ่งตัวนำที่พบได้ทั่วไปมากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ จนกระทั่งอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้พัฒนาไปพร้อมกับสารชนิดนี้ น่าเสียดายที่ซิลิกอนมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่ค่อนข้างอ่อนในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (NIR) เมื่อเปรียบเทียบกับสารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่น แกเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ด้วยเหตุนี้ GaAs และโลหะผสมที่เกี่ยวข้องจึงได้รับความนิยมในการใช้งานโฟโตนิกส์ แต่ไม่เข้ากันได้กับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริมแบบดั้งเดิม (CMOS) ที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีการที่จะปรับปรุงการดูดซับอินฟราเรดใกล้ในซิลิกอนได้อย่างมาก ซึ่งอาจนำไปสู่การลดต้นทุนในอุปกรณ์โฟโตนิกส์ประสิทธิภาพสูง และทีมวิจัยของ UC Davis กำลังบุกเบิกกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการดูดซับแสงในฟิล์มบางของซิลิกอนได้อย่างมาก ในเอกสารล่าสุดที่ Advanced Photonics Nexus พวกเขาได้สาธิตการทดลองของโฟโตดีเทกเตอร์ที่ใช้ซิลิกอนเป็นครั้งแรก โดยมีโครงสร้างไมโครเซอร์เฟซและนาโนเซอร์เฟซที่ดักจับแสง ซึ่งประสบความสำเร็จในการปรับปรุงประสิทธิภาพที่ไม่เคยมีมาก่อนเทียบได้กับ GaAs และเซมิคอนดักเตอร์กลุ่ม III-V อื่นๆ โฟโตดีเทกเตอร์ประกอบด้วยแผ่นซิลิกอนทรงกระบอกหนาระดับไมครอนที่วางอยู่บนพื้นผิวฉนวน โดยมี "นิ้ว" โลหะยื่นออกมาในลักษณะนิ้วชี้จากโลหะสัมผัสที่ด้านบนของแผ่น ที่สำคัญ ซิลิกอนที่เป็นก้อนจะเต็มไปด้วยรูกลมที่เรียงกันเป็นรูปแบบเป็นระยะๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดดักจับโฟตอน โครงสร้างโดยรวมของอุปกรณ์ทำให้แสงที่ตกกระทบตามปกติโค้งงอเกือบ 90° เมื่อกระทบกับพื้นผิว ทำให้แสงสามารถแพร่กระจายไปด้านข้างตามระนาบ Si ได้ โหมดการแพร่กระจายด้านข้างเหล่านี้จะเพิ่มระยะทางการเดินทางของแสงและทำให้การเดินทางช้าลงอย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสารมากขึ้น จึงทำให้การดูดซับเพิ่มขึ้น
นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้ทำการจำลองทางแสงและการวิเคราะห์ทางทฤษฎีเพื่อให้เข้าใจผลกระทบของโครงสร้างการจับโฟตอนได้ดีขึ้น และได้ทำการทดลองหลายครั้งโดยเปรียบเทียบโฟโตดีเทกเตอร์ที่มีและไม่มีโฟโตดีเทกเตอร์ดังกล่าว นักวิจัยพบว่าการจับโฟตอนทำให้ประสิทธิภาพการดูดซับแบนด์วิดท์กว้างในสเปกตรัม NIR ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยอยู่เหนือ 68% โดยมีจุดสูงสุดที่ 86% สิ่งที่น่าสังเกตก็คือ ในแถบอินฟราเรดใกล้ ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของโฟโตดีเทกเตอร์การจับโฟตอนจะสูงกว่าซิลิกอนธรรมดาหลายเท่า ซึ่งสูงกว่าแกเลียมอาร์เซไนด์ นอกจากนี้ แม้ว่าการออกแบบที่เสนอจะเป็นแผ่นซิลิกอนหนา 1 ไมโครเมตร แต่การจำลองฟิล์มซิลิกอนขนาด 30 นาโนเมตรและ 100 นาโนเมตรที่เข้ากันได้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ CMOS ก็แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นที่คล้ายคลึงกัน
โดยรวมแล้ว ผลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิกอนในแอปพลิเคชันโฟโตนิกส์ที่เกิดขึ้นใหม่ การดูดซับสูงสามารถทำได้แม้ในชั้นซิลิกอนที่บางเป็นพิเศษ และความจุปรสิตของวงจรสามารถรักษาให้ต่ำได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในระบบความเร็วสูง นอกจากนี้ วิธีการที่เสนอนี้ยังเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS สมัยใหม่ ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่จะปฏิวัติวิธีการผสานรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับวงจรแบบดั้งเดิม ซึ่งในทางกลับกัน อาจปูทางไปสู่การก้าวกระโดดครั้งสำคัญในเครือข่ายคอมพิวเตอร์ความเร็วสูงราคาไม่แพงและเทคโนโลยีการถ่ายภาพ