पतली सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर की नई तकनीक

नई तकनीकपतला सिलिकॉन फोटो डिटेक्टर
फोटॉन कैप्चर संरचनाओं का उपयोग पतली कोशिकाओं में प्रकाश अवशोषण को बढ़ाने के लिए किया जाता है।सिलिकॉन फोटो डिटेक्टर
ऑप्टिकल संचार, लिडार सेंसिंग और मेडिकल इमेजिंग सहित कई उभरते अनुप्रयोगों में फोटोनिक सिस्टम तेजी से लोकप्रिय हो रहे हैं। हालांकि, भविष्य के इंजीनियरिंग समाधानों में फोटोनिक्स का व्यापक रूप से अपनाया जाना विनिर्माण की लागत पर निर्भर करता हैफोटोडिटेक्टर, जो काफी हद तक उस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक के प्रकार पर निर्भर करता है।
परंपरागत रूप से, सिलिकॉन (Si) इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में सबसे सर्वव्यापी अर्धचालक रहा है, इतना अधिक कि अधिकांश उद्योग इस सामग्री के इर्द-गिर्द ही विकसित हुए हैं। दुर्भाग्य से, Si में गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) जैसे अन्य अर्धचालकों की तुलना में निकट अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में अपेक्षाकृत कमज़ोर प्रकाश अवशोषण गुणांक है। इस वजह से, GaAs और संबंधित मिश्र धातु फोटोनिक अनुप्रयोगों में फल-फूल रहे हैं, लेकिन अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स के उत्पादन में उपयोग की जाने वाली पारंपरिक पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रक्रियाओं के साथ संगत नहीं हैं। इससे उनकी विनिर्माण लागत में तेज़ वृद्धि हुई।
शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन में निकट-अवरक्त अवशोषण को बहुत बढ़ाने का एक तरीका तैयार किया है, जिससे उच्च-प्रदर्शन फोटोनिक उपकरणों में लागत में कमी आ सकती है, और यूसी डेविस अनुसंधान दल सिलिकॉन पतली फिल्मों में प्रकाश अवशोषण को बेहतर बनाने के लिए एक नई रणनीति का नेतृत्व कर रहा है। एडवांस्ड फोटोनिक्स नेक्सस में अपने नवीनतम पेपर में, उन्होंने पहली बार प्रकाश-कैप्चरिंग माइक्रो- और नैनो-सतह संरचनाओं के साथ एक सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टर का प्रायोगिक प्रदर्शन किया, जिससे GaAs और अन्य III-V समूह अर्धचालकों की तुलना में अभूतपूर्व प्रदर्शन सुधार प्राप्त हुआ। फोटोडिटेक्टर में एक माइक्रोन-मोटी बेलनाकार सिलिकॉन प्लेट होती है जिसे एक इन्सुलेटिंग सब्सट्रेट पर रखा जाता है, जिसमें प्लेट के शीर्ष पर संपर्क धातु से फिंगर-फोर्क फैशन में धातु की "उंगलियाँ" फैली होती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, ढेलेदार सिलिकॉन एक आवधिक पैटर्न में व्यवस्थित गोलाकार छिद्रों से भरा होता है जो फोटॉन कैप्चर साइट्स के रूप में कार्य करते हैं। डिवाइस की समग्र संरचना सामान्य रूप से आने वाले प्रकाश को सतह से टकराने पर लगभग 90° तक मोड़ देती है, जिससे यह Si तल के साथ पार्श्व रूप से फैल सकता है। ये पार्श्व प्रसार विधियां प्रकाश की यात्रा की लंबाई को बढ़ाती हैं और प्रभावी रूप से इसे धीमा कर देती हैं, जिससे प्रकाश-पदार्थ के बीच अधिक अंतःक्रिया होती है और इस प्रकार अवशोषण बढ़ जाता है।
शोधकर्ताओं ने फोटॉन कैप्चर संरचनाओं के प्रभावों को बेहतर ढंग से समझने के लिए ऑप्टिकल सिमुलेशन और सैद्धांतिक विश्लेषण भी किए, और फोटोडिटेक्टर की तुलना उनके साथ और उनके बिना कई प्रयोग किए। उन्होंने पाया कि फोटॉन कैप्चर ने NIR स्पेक्ट्रम में ब्रॉडबैंड अवशोषण दक्षता में उल्लेखनीय सुधार किया, जो 86% के शिखर के साथ 68% से ऊपर रहा। यह ध्यान देने योग्य है कि निकट अवरक्त बैंड में, फोटॉन कैप्चर फोटोडिटेक्टर का अवशोषण गुणांक साधारण सिलिकॉन की तुलना में कई गुना अधिक है, जो गैलियम आर्सेनाइड से अधिक है। इसके अलावा, हालांकि प्रस्तावित डिजाइन 1μm मोटी सिलिकॉन प्लेटों के लिए है, CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ संगत 30 एनएम और 100 एनएम सिलिकॉन फिल्मों के सिमुलेशन समान उन्नत प्रदर्शन दिखाते हैं।
कुल मिलाकर, इस अध्ययन के परिणाम उभरते फोटोनिक्स अनुप्रयोगों में सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टरों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए एक आशाजनक रणनीति प्रदर्शित करते हैं। अल्ट्रा-पतली सिलिकॉन परतों में भी उच्च अवशोषण प्राप्त किया जा सकता है, और सर्किट की परजीवी धारिता को कम रखा जा सकता है, जो उच्च गति प्रणालियों में महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, प्रस्तावित विधि आधुनिक CMOS विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ संगत है और इसलिए इसमें पारंपरिक सर्किट में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करने के तरीके में क्रांति लाने की क्षमता है। यह, बदले में, सस्ती अल्ट्राफास्ट कंप्यूटर नेटवर्क और इमेजिंग तकनीक में पर्याप्त छलांग लगाने का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।