પાતળા સિલિકોન ફોટોડિટેક્ટરની નવી ટેકનોલોજી

ની નવી ટેકનોલોજીપાતળા સિલિકોન ફોટોડિટેક્ટર
ફોટોન કેપ્ચર સ્ટ્રક્ચર્સનો ઉપયોગ પાતળામાં પ્રકાશ શોષણને વધારવા માટે થાય છેસિલિકોન ફોટોડિટેક્ટર
ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન્સ, liDAR સેન્સિંગ અને મેડિકલ ઇમેજિંગ સહિત અનેક ઉભરતી એપ્લિકેશન્સમાં ફોટોનિક સિસ્ટમ્સ ઝડપથી ટ્રેક્શન મેળવી રહી છે. જો કે, ભવિષ્યના એન્જિનિયરિંગ સોલ્યુશન્સમાં ફોટોનિક્સનો વ્યાપક સ્વીકાર ઉત્પાદન ખર્ચ પર આધારિત છે.ફોટોડિટેક્ટર, જે બદલામાં તે હેતુ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સેમિકન્ડક્ટરના પ્રકાર પર મોટે ભાગે આધાર રાખે છે.
પરંપરાગત રીતે, સિલિકોન (Si) એ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં સૌથી સર્વવ્યાપક સેમિકન્ડક્ટર રહ્યું છે, એટલા માટે કે મોટાભાગના ઉદ્યોગો આ સામગ્રીની આસપાસ પરિપક્વ થયા છે. કમનસીબે, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) જેવા અન્ય સેમિકન્ડક્ટર્સની તુલનામાં નજીકના ઇન્ફ્રારેડ (NIR) સ્પેક્ટ્રમમાં Si પાસે પ્રમાણમાં નબળા પ્રકાશ શોષણ ગુણાંક છે. આને કારણે, GaAs અને સંબંધિત એલોય ફોટોનિક એપ્લીકેશનમાં વિકાસ પામી રહ્યા છે પરંતુ મોટાભાગના ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ઉત્પાદનમાં ઉપયોગમાં લેવાતી પરંપરાગત પૂરક મેટલ-ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર (CMOS) પ્રક્રિયાઓ સાથે સુસંગત નથી. આનાથી તેમના ઉત્પાદન ખર્ચમાં તીવ્ર વધારો થયો.
સંશોધકોએ સિલિકોનમાં નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ શોષણને મોટા પ્રમાણમાં વધારવા માટે એક માર્ગ ઘડી કાઢ્યો છે, જે ઉચ્ચ-પ્રદર્શનવાળા ફોટોનિક ઉપકરણોમાં ખર્ચ ઘટાડા તરફ દોરી શકે છે, અને UC ડેવિસ સંશોધન ટીમ સિલિકોન પાતળી ફિલ્મોમાં પ્રકાશ શોષણને મોટા પ્રમાણમાં સુધારવા માટે નવી વ્યૂહરચના કરી રહી છે. એડવાન્સ્ડ ફોટોનિક્સ નેક્સસ પરના તેમના નવીનતમ પેપરમાં, તેઓએ પ્રથમ વખત પ્રકાશ-કેપ્ચરિંગ માઇક્રો - અને નેનો-સરફેસ સ્ટ્રક્ચર્સ સાથે સિલિકોન-આધારિત ફોટોડિટેક્ટરનું પ્રાયોગિક પ્રદર્શન દર્શાવ્યું, જે GaAs અને અન્ય III-V જૂથ સેમિકન્ડક્ટર્સની તુલનામાં અભૂતપૂર્વ પ્રદર્શન સુધારણાઓ હાંસલ કરે છે. . ફોટોડિટેક્ટરમાં ઇન્સ્યુલેટિંગ સબસ્ટ્રેટ પર મૂકવામાં આવેલી માઇક્રોન-જાડી નળાકાર સિલિકોન પ્લેટનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં પ્લેટની ટોચ પર સંપર્ક ધાતુમાંથી આંગળી-કાંટાની ફેશનમાં મેટલ "આંગળીઓ" વિસ્તરે છે. અગત્યની રીતે, ગઠ્ઠો સિલિકોન સામયિક પેટર્નમાં ગોઠવાયેલા ગોળાકાર છિદ્રોથી ભરેલો છે જે ફોટોન કેપ્ચર સાઇટ્સ તરીકે કાર્ય કરે છે. ઉપકરણનું એકંદર માળખું જ્યારે સપાટી પર અથડાવે છે ત્યારે સામાન્ય રીતે ઘટના પ્રકાશને લગભગ 90° જેટલો વળાંક આપે છે, જે તેને Si પ્લેન સાથે બાજુમાં પ્રચાર કરવાની મંજૂરી આપે છે. આ બાજુની પ્રસારની સ્થિતિઓ પ્રકાશની મુસાફરીની લંબાઈમાં વધારો કરે છે અને અસરકારક રીતે તેને ધીમું કરે છે, જે વધુ પ્રકાશ-દ્રવ્ય ક્રિયાપ્રતિક્રિયા તરફ દોરી જાય છે અને આમ શોષણમાં વધારો કરે છે.
સંશોધકોએ ફોટોન કેપ્ચર સ્ટ્રક્ચર્સની અસરોને વધુ સારી રીતે સમજવા માટે ઓપ્ટિકલ સિમ્યુલેશન અને સૈદ્ધાંતિક વિશ્લેષણ પણ હાથ ધર્યા હતા, અને તેમની સાથે અને તેના વિના ફોટોડિટેક્ટર્સની તુલના કરતા ઘણા પ્રયોગો હાથ ધર્યા હતા. તેઓએ જોયું કે ફોટોન કેપ્ચરને લીધે NIR સ્પેક્ટ્રમમાં બ્રોડબેન્ડ શોષણ કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો છે, જે 86% ની ટોચ સાથે 68% થી ઉપર રહ્યો છે. તે નોંધવું યોગ્ય છે કે નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં, ફોટોન કેપ્ચર ફોટોડિટેક્ટરનું શોષણ ગુણાંક સામાન્ય સિલિકોન કરતા અનેક ગણું વધારે છે, જે ગેલિયમ આર્સેનાઇડ કરતાં વધી જાય છે. વધુમાં, સૂચિત ડિઝાઇન 1μm જાડા સિલિકોન પ્લેટ માટે હોવા છતાં, CMOS ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે સુસંગત 30 nm અને 100 nm સિલિકોન ફિલ્મોના સિમ્યુલેશન સમાન ઉન્નત પ્રદર્શન દર્શાવે છે.
એકંદરે, આ અભ્યાસના પરિણામો ઉભરતી ફોટોનિક્સ એપ્લિકેશન્સમાં સિલિકોન-આધારિત ફોટોડિટેક્ટર્સના પ્રભાવને સુધારવા માટે આશાસ્પદ વ્યૂહરચના દર્શાવે છે. અતિ-પાતળા સિલિકોન સ્તરોમાં પણ ઉચ્ચ શોષણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, અને સર્કિટની પરોપજીવી કેપેસિટીન્સ ઓછી રાખી શકાય છે, જે હાઇ-સ્પીડ સિસ્ટમ્સમાં મહત્વપૂર્ણ છે. વધુમાં, પ્રસ્તાવિત પદ્ધતિ આધુનિક CMOS ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ સાથે સુસંગત છે અને તેથી પરંપરાગત સર્કિટમાં ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સને સંકલિત કરવાની રીતમાં ક્રાંતિ લાવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. આ, બદલામાં, સસ્તું અલ્ટ્રાફાસ્ટ કમ્પ્યુટર નેટવર્ક અને ઇમેજિંગ ટેક્નોલોજીમાં નોંધપાત્ર કૂદકો મારવાનો માર્ગ મોકળો કરી શકે છે.