પાતળા સિલિકોન ફોટોડિટેક્ટરની નવી ટેકનોલોજી

નવી ટેકનોલોજીપાતળા સિલિકોન ફોટોડિટેક્ટર
ફોટોન કેપ્ચર સ્ટ્રક્ચર્સનો ઉપયોગ પાતળા સ્તરમાં પ્રકાશ શોષણ વધારવા માટે થાય છેસિલિકોન ફોટોડિટેક્ટર્સ
ફોટોનિક સિસ્ટમ્સ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન્સ, liDAR સેન્સિંગ અને મેડિકલ ઇમેજિંગ સહિત ઘણી ઉભરતી એપ્લિકેશનોમાં ઝડપથી લોકપ્રિયતા મેળવી રહી છે. જો કે, ભવિષ્યના એન્જિનિયરિંગ સોલ્યુશન્સમાં ફોટોનિક્સની વ્યાપક અપનાવણ ઉત્પાદન ખર્ચ પર આધારિત છે.ફોટોડિટેક્ટર, જે બદલામાં તે હેતુ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા સેમિકન્ડક્ટરના પ્રકાર પર મોટાભાગે આધાર રાખે છે.
પરંપરાગત રીતે, ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉદ્યોગમાં સિલિકોન (Si) સૌથી વધુ વ્યાપક સેમિકન્ડક્ટર રહ્યું છે, એટલા માટે કે મોટાભાગના ઉદ્યોગો આ સામગ્રીની આસપાસ પરિપક્વ થયા છે. કમનસીબે, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs) જેવા અન્ય સેમિકન્ડક્ટરની તુલનામાં નજીકના ઇન્ફ્રારેડ (NIR) સ્પેક્ટ્રમમાં Si પ્રમાણમાં નબળો પ્રકાશ શોષણ ગુણાંક ધરાવે છે. આને કારણે, GaAs અને સંબંધિત એલોય ફોટોનિક એપ્લિકેશન્સમાં સમૃદ્ધ છે પરંતુ મોટાભાગના ઇલેક્ટ્રોનિક્સના ઉત્પાદનમાં ઉપયોગમાં લેવાતી પરંપરાગત પૂરક મેટલ-ઓક્સાઇડ સેમિકન્ડક્ટર (CMOS) પ્રક્રિયાઓ સાથે સુસંગત નથી. આના કારણે તેમના ઉત્પાદન ખર્ચમાં તીવ્ર વધારો થયો.
સંશોધકોએ સિલિકોનમાં નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ શોષણને મોટા પ્રમાણમાં વધારવાનો એક માર્ગ શોધ્યો છે, જેનાથી ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ફોટોનિક ઉપકરણોમાં ખર્ચમાં ઘટાડો થઈ શકે છે, અને યુસી ડેવિસ સંશોધન ટીમ સિલિકોન પાતળા ફિલ્મોમાં પ્રકાશ શોષણને મોટા પ્રમાણમાં સુધારવા માટે એક નવી વ્યૂહરચનાનો પાયો નાખી રહી છે. એડવાન્સ્ડ ફોટોનિક્સ નેક્સસ ખાતેના તેમના નવીનતમ પેપરમાં, તેઓ પ્રથમ વખત પ્રકાશ-કેપ્ચરિંગ માઇક્રો-અને નેનો-સપાટી માળખાં સાથે સિલિકોન-આધારિત ફોટોડિટેક્ટરનું પ્રાયોગિક પ્રદર્શન દર્શાવે છે, જે GaAs અને અન્ય III-V જૂથ સેમિકન્ડક્ટર્સ સાથે તુલનાત્મક અભૂતપૂર્વ પ્રદર્શન સુધારણા પ્રાપ્ત કરે છે. ફોટોડિટેક્ટરમાં ઇન્સ્યુલેટીંગ સબસ્ટ્રેટ પર મૂકવામાં આવેલી માઇક્રોન-જાડી નળાકાર સિલિકોન પ્લેટનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં પ્લેટની ટોચ પર સંપર્ક ધાતુમાંથી આંગળી-કાંટાની ફેશનમાં ધાતુ "આંગળીઓ" વિસ્તરે છે. મહત્વપૂર્ણ રીતે, ગઠ્ઠો સિલિકોન સામયિક પેટર્નમાં ગોઠવાયેલા ગોળાકાર છિદ્રોથી ભરેલો હોય છે જે ફોટોન કેપ્ચર સાઇટ્સ તરીકે કાર્ય કરે છે. ઉપકરણની એકંદર રચના સામાન્ય રીતે ઘટના પ્રકાશને સપાટી પર અથડાતા લગભગ 90° વળાંક આપે છે, જે તેને Si પ્લેન સાથે બાજુની બાજુમાં ફેલાવવા દે છે. આ બાજુના પ્રચાર પદ્ધતિઓ પ્રકાશની મુસાફરીની લંબાઈમાં વધારો કરે છે અને તેને અસરકારક રીતે ધીમી કરે છે, જેનાથી પ્રકાશ-પદાર્થની વધુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા થાય છે અને આમ શોષણમાં વધારો થાય છે.
સંશોધકોએ ફોટોન કેપ્ચર સ્ટ્રક્ચર્સની અસરોને વધુ સારી રીતે સમજવા માટે ઓપ્ટિકલ સિમ્યુલેશન અને સૈદ્ધાંતિક વિશ્લેષણ પણ હાથ ધર્યા, અને ફોટોડિટેક્ટર્સની તેમની સાથે અને વગર સરખામણી કરતા ઘણા પ્રયોગો કર્યા. તેઓએ શોધી કાઢ્યું કે ફોટોન કેપ્ચરથી NIR સ્પેક્ટ્રમમાં બ્રોડબેન્ડ શોષણ કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો, જે 86% ની ટોચ સાથે 68% થી ઉપર રહ્યો. એ નોંધવું યોગ્ય છે કે નજીકના ઇન્ફ્રારેડ બેન્ડમાં, ફોટોન કેપ્ચર ફોટોડિટેક્ટરનો શોષણ ગુણાંક સામાન્ય સિલિકોન કરતા અનેક ગણો વધારે છે, જે ગેલિયમ આર્સેનાઇડ કરતાં વધુ છે. વધુમાં, પ્રસ્તાવિત ડિઝાઇન 1μm જાડા સિલિકોન પ્લેટો માટે હોવા છતાં, CMOS ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સાથે સુસંગત 30 nm અને 100 nm સિલિકોન ફિલ્મોના સિમ્યુલેશન સમાન ઉન્નત પ્રદર્શન દર્શાવે છે.
એકંદરે, આ અભ્યાસના પરિણામો ઉભરતા ફોટોનિક્સ એપ્લિકેશનોમાં સિલિકોન-આધારિત ફોટોડિટેક્ટર્સના પ્રદર્શનમાં સુધારો કરવા માટે એક આશાસ્પદ વ્યૂહરચના દર્શાવે છે. અતિ-પાતળા સિલિકોન સ્તરોમાં પણ ઉચ્ચ શોષણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, અને સર્કિટની પરોપજીવી ક્ષમતા ઓછી રાખી શકાય છે, જે હાઇ-સ્પીડ સિસ્ટમ્સમાં મહત્વપૂર્ણ છે. વધુમાં, પ્રસ્તાવિત પદ્ધતિ આધુનિક CMOS ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ સાથે સુસંગત છે અને તેથી પરંપરાગત સર્કિટમાં ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સને સંકલિત કરવાની રીતમાં ક્રાંતિ લાવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. આ બદલામાં, સસ્તા અલ્ટ્રાફાસ્ટ કમ્પ્યુટર નેટવર્ક્સ અને ઇમેજિંગ ટેકનોલોજીમાં નોંધપાત્ર છલાંગ માટે માર્ગ મોકળો કરી શકે છે.