เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจจับซิลิคอนบาง ๆ

เทคโนโลยีใหม่ของเครื่องตรวจสอบซิลิคอนบาง ๆ
โครงสร้างการจับโฟตอนใช้เพื่อเพิ่มการดูดซึมแสงในบาง ๆเครื่องตรวจจับแสงซิลิกอน
ระบบโทนิคกำลังได้รับแรงฉุดอย่างรวดเร็วในแอพพลิเคชั่นที่เกิดขึ้นใหม่มากมายรวมถึงการสื่อสารด้วยแสงการตรวจจับ LiDAR และการถ่ายภาพทางการแพทย์ อย่างไรก็ตามการยอมรับอย่างกว้างขวางของโฟโตนิกส์ในโซลูชั่นวิศวกรรมในอนาคตขึ้นอยู่กับต้นทุนการผลิตเครื่องตรวจจับแสงซึ่งขึ้นอยู่กับประเภทของเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้เพื่อจุดประสงค์นั้น
ตามเนื้อผ้าซิลิคอน (SI) เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่แพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์มากจนอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ได้เติบโตขึ้นมารอบ ๆ วัสดุนี้ น่าเสียดายที่ SI มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับแสงที่ค่อนข้างอ่อนในสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ (NIR) เมื่อเทียบกับเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ เช่น Gallium Arsenide (GAAs) ด้วยเหตุนี้ GaAs และโลหะผสมที่เกี่ยวข้องจึงเจริญรุ่งเรืองในการใช้งานโทนิค แต่ไม่สามารถใช้งานได้กับกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (CMOS) แบบดั้งเดิมที่ใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ สิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของต้นทุนการผลิต
นักวิจัยได้คิดค้นวิธีในการเพิ่มการดูดซึมใกล้อินฟราเรดอย่างมากในซิลิคอนซึ่งอาจนำไปสู่การลดต้นทุนในอุปกรณ์โทนิคที่มีประสิทธิภาพสูงและทีมวิจัย UC Davis เป็นผู้บุกเบิกกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการดูดซึมแสงในภาพยนตร์ซิลิคอนบาง ในบทความล่าสุดของพวกเขาที่ Advanced Photonics Nexus พวกเขาแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกที่การสาธิตการทดลองของเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิกอนด้วยการถ่ายภาพขนาดเล็ก-และโครงสร้างนาโน-พื้นผิวเพื่อให้ได้การปรับปรุงประสิทธิภาพที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน PhotoDetector ประกอบด้วยแผ่นซิลิกอนทรงกระบอกไมครอนที่วางอยู่บนพื้นผิวฉนวนโดยมี "นิ้ว" โลหะที่ยื่นออกมาในรูปแบบนิ้วมือจากโลหะสัมผัสที่ด้านบนของแผ่น ที่สำคัญซิลิคอนเป็นก้อนเต็มไปด้วยรูเป็นวงกลมที่จัดเรียงในรูปแบบเป็นระยะซึ่งทำหน้าที่เป็นไซต์จับโฟตอน โครงสร้างโดยรวมของอุปกรณ์ทำให้แสงตกกระทบตามปกติจะโค้งงอเกือบ 90 °เมื่อมันกระทบกับพื้นผิวทำให้สามารถแพร่กระจายไปทางด้านข้างตามระนาบ Si โหมดการแพร่กระจายด้านข้างเหล่านี้จะเพิ่มความยาวของการเดินทางของแสงและทำให้ช้าลงอย่างมีประสิทธิภาพนำไปสู่การโต้ตอบกับสารสกัดเบา ๆ มากขึ้นและเพิ่มการดูดซึม
นักวิจัยยังทำการจำลองแบบออปติคัลและการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีเพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของโครงสร้างการจับโฟตอนได้ดีขึ้นและทำการทดลองหลายครั้งเปรียบเทียบเครื่องตรวจจับแสงที่มีและไม่มี พวกเขาพบว่าการจับโฟตอนนำไปสู่การปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพการดูดซับบรอดแบนด์ในสเปกตรัม NIR อยู่สูงกว่า 68% โดยมียอดสูงสุด 86% เป็นที่น่าสังเกตว่าในแถบอินฟราเรดที่อยู่ใกล้ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับของโฟตอนจับโฟโตไดเทคเตอร์นั้นสูงกว่าซิลิคอนสามัญหลายเท่าเกินแกลเลียมอาร์เซนีด์ นอกจากนี้ถึงแม้ว่าการออกแบบที่เสนอสำหรับแผ่นซิลิคอนหนา1μmการจำลองของฟิล์มซิลิกอน 30 นาโนเมตรและ 100 นาโนเมตรที่เข้ากันได้กับ CMOS Electronics แสดงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นคล้ายกัน
โดยรวมแล้วผลการศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิคอนในแอปพลิเคชันโฟโตนิกส์ที่เกิดขึ้นใหม่ การดูดซับสูงสามารถทำได้แม้ในชั้นซิลิกอนบางเฉียบและความจุของกาฝากของวงจรสามารถรักษาไว้ได้ต่ำซึ่งมีความสำคัญในระบบความเร็วสูง นอกจากนี้วิธีการที่นำเสนอนั้นเข้ากันได้กับกระบวนการผลิต CMOS ที่ทันสมัยและดังนั้นจึงมีศักยภาพในการปฏิวัติวิธีการที่ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ถูกรวมเข้ากับวงจรดั้งเดิม ในทางกลับกันสิ่งนี้สามารถปูทางสำหรับการก้าวกระโดดที่สำคัญในเครือข่ายคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีการถ่ายภาพที่มีราคาไม่แพง