पतले सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर की नई तकनीक

नई तकनीकपतले सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
फोटोन कैप्चर संरचनाओं का उपयोग पतली स्क्रीन में प्रकाश अवशोषण को बढ़ाने के लिए किया जाता है।सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
ऑप्टिकल संचार, LiDAR सेंसिंग और मेडिकल इमेजिंग सहित कई उभरते अनुप्रयोगों में फोटोनिक प्रणालियाँ तेज़ी से लोकप्रिय हो रही हैं। हालाँकि, भविष्य के इंजीनियरिंग समाधानों में फोटोनिक्स का व्यापक रूप से अपनाया जाना विनिर्माण लागत पर निर्भर करता है।फोटोडिटेक्टर, जो कि 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 कि अधिकांश उद्योग इसी पदार्थ के इर्द-गिर्द विकसित हुए हैं। दुर्भाग्य से, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) जैसे अन्य अर्धचालकों की तुलना में निकट अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में Si का प्रकाश अवशोषण गुणांक अपेक्षाकृत कमज़ोर होता है। इस कारण, GaAs और संबंधित मिश्रधातुएँ फोटोनिक अनुप्रयोगों में तो फल-फूल रही हैं, लेकिन अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स के उत्पादन में प्रयुक्त पारंपरिक पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रक्रियाओं के अनुकूल नहीं हैं। इसके कारण उनकी निर्माण लागत में भारी वृद्धि हुई है।
शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन में निकट-अवरक्त अवशोषण को अत्यधिक बढ़ाने का एक तरीका विकसित किया है, जिससे उच्च-प्रदर्शन वाले फोटोनिक उपकरणों की लागत में कमी आ सकती है, और यूसी डेविस की एक शोध टीम सिलिकॉन की पतली फिल्मों में प्रकाश अवशोषण को अत्यधिक बेहतर बनाने के लिए एक नई रणनीति पर काम कर रही है। एडवांस्ड फोटोनिक्स नेक्सस में अपने नवीनतम शोधपत्र में, उन्होंने पहली बार प्रकाश-ग्रहण करने वाली सूक्ष्म और नैनो-सतह संरचनाओं वाले एक सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टर का प्रायोगिक प्रदर्शन किया है, जिससे GaAs और अन्य III-V समूह अर्धचालकों की तुलना में अभूतपूर्व प्रदर्शन सुधार प्राप्त हुए हैं। फोटोडिटेक्टर में एक माइक्रोन-मोटी बेलनाकार सिलिकॉन प्लेट होती है जो एक इन्सुलेटिंग सब्सट्रेट पर रखी जाती है, जिसमें धातु की "उंगलियाँ" प्लेट के शीर्ष पर संपर्क धातु से फिंगर-फोर्क शैली में फैली होती हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि ढेलेदार सिलिकॉन एक आवर्ती पैटर्न में व्यवस्थित गोलाकार छिद्रों से भरा होता है जो फोटोन ग्रहण स्थलों के रूप में कार्य करते हैं। उपकरण की समग्र संरचना सामान्य रूप से आपतित प्रकाश को सतह से टकराने पर लगभग 90° मोड़ देती है, जिससे यह Si तल के साथ पार्श्व रूप से प्रसारित हो जाता है। ये पार्श्व प्रसार मोड प्रकाश की यात्रा की लंबाई को बढ़ाते हैं और प्रभावी रूप से इसे धीमा कर देते हैं, जिससे प्रकाश-पदार्थ के बीच अधिक अंतःक्रिया होती है और इस प्रकार अवशोषण में वृद्धि होती है।
शोधकर्ताओं ने फोटॉन कैप्चर संरचनाओं के प्रभावों को बेहतर ढंग से समझने के लिए प्रकाशीय सिमुलेशन और सैद्धांतिक विश्लेषण भी किए, और फोटोडिटेक्टरों की तुलना उनके साथ और उनके बिना कई प्रयोगों से की। उन्होंने पाया कि फोटॉन कैप्चर से NIR स्पेक्ट्रम में ब्रॉडबैंड अवशोषण दक्षता में उल्लेखनीय सुधार हुआ, जो 86% के शिखर के साथ 68% से ऊपर रही। 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 भी अधिक है। इसके अलावा, हालाँकि प्रस्तावित डिज़ाइन 1μm मोटी सिलिकॉन प्लेटों के लिए है, CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ संगत 30 nm और 100 nm 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 की एक आशाजनक रणनीति प्रदर्शित करते हैं। अति-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 अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त, प्रस्तावित विधि आधुनिक CMOS निर्माण प्रक्रियाओं के अनुकूल है और इसलिए इसमें पारंपरिक सर्किटों में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के एकीकरण के तरीके में क्रांतिकारी बदलाव लाने की क्षमता है। यह, बदले में, किफायती अल्ट्राफास्ट कंप्यूटर नेटवर्क और इमेजिंग तकनीक में महत्वपूर्ण प्रगति का मार्ग प्रशस्त कर सकता है।