पतले सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर की नई तकनीक

नई तकनीकपतला सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
पतली सतहों में प्रकाश अवशोषण को बढ़ाने के लिए फोटॉन कैप्चर संरचनाओं का उपयोग किया जाता है।सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
ऑप्टिकल संचार, लिडार सेंसिंग और मेडिकल इमेजिंग सहित कई उभरते अनुप्रयोगों में फोटोनिक प्रणालियाँ तेजी से लोकप्रियता हासिल कर रही हैं। हालांकि, भविष्य के इंजीनियरिंग समाधानों में फोटोनिक्स को व्यापक रूप से अपनाने के लिए विनिर्माण लागत पर निर्भर रहना होगा।फोटोडिटेक्टरजो बदले में 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 व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अर्धचालक रहा है, इतना अधिक कि अधिकांश उद्योग इसी सामग्री पर आधारित हैं। दुर्भाग्य से, गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) जैसे अन्य अर्धचालकों की तुलना में Si का निकट अवरक्त (NIR) स्पेक्ट्रम में प्रकाश अवशोषण गुणांक अपेक्षाकृत कम होता है। इसी कारण GaAs और इससे संबंधित मिश्रधातुओं का फोटोनिक अनुप्रयोगों में व्यापक उपयोग हो रहा है, लेकिन ये अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स के उत्पादन में प्रयुक्त पारंपरिक पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रक्रियाओं के अनुकूल नहीं हैं। इसके परिणामस्वरूप इनकी निर्माण लागत में भारी वृद्धि हुई है।
शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन में निकट-अवरक्त अवशोषण को काफी हद तक बढ़ाने का एक तरीका विकसित किया है, जिससे उच्च-प्रदर्शन वाले फोटोनिक उपकरणों की लागत में कमी आ सकती है। यूसी डेविस की एक शोध टीम सिलिकॉन की पतली फिल्मों में प्रकाश अवशोषण को बेहतर बनाने के लिए एक नई रणनीति पर काम कर रही है। एडवांस्ड फोटोनिक्स नेक्सस में प्रकाशित अपने नवीनतम शोध पत्र में, उन्होंने पहली बार प्रकाश को ग्रहण करने वाली सूक्ष्म और नैनो सतह संरचनाओं वाले सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टर का प्रायोगिक प्रदर्शन किया है, जिससे GaAs और अन्य III-V समूह के अर्धचालकों के समान अभूतपूर्व प्रदर्शन सुधार प्राप्त हुए हैं। 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 उंगली के कांटे के आकार में धातु की "उंगलियां" फैली होती हैं। महत्वपूर्ण बात यह है कि खुरदरी सिलिकॉन प्लेट में आवधिक पैटर्न में व्यवस्थित गोलाकार छिद्र होते हैं जो फोटॉन कैप्चर साइट के रूप में कार्य करते हैं। उपकरण की समग्र संरचना के कारण सतह पर टकराने पर सामान्य रूप से आपतित प्रकाश लगभग 90° तक मुड़ जाता है, जिससे यह Si तल के साथ पार्श्व रूप से प्रसारित हो पाता है। प्रकाश के इन पार्श्व प्रसार के तरीकों से प्रकाश की यात्रा की लंबाई बढ़ जाती है और प्रभावी रूप से उसकी गति धीमी हो जाती है, जिससे प्रकाश-पदार्थ की परस्पर क्रिया बढ़ जाती है और इस प्रकार अवशोषण भी 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 इनके साथ और इनके बिना फोटोडिटेक्टरों की तुलना करते हुए कई प्रयोग किए। उन्होंने पाया कि फोटॉन कैप्चर से एनआईआर स्पेक्ट्रम में ब्रॉडबैंड अवशोषण दक्षता में उल्लेखनीय सुधार हुआ, जो 68% से ऊपर रहा और 86% के शिखर तक पहुंचा। यह उल्लेखनीय है कि निकट अवरक्त बैंड में, फोटॉन कैप्चर फोटोडिटेक्टर का अवशोषण गुणांक सामान्य सिलिकॉन की तुलना में कई गुना अधिक है, जो गैलियम आर्सेनाइड से भी अधिक है। इसके अलावा, हालांकि प्रस्तावित डिज़ाइन 1μm मोटी सिलिकॉन प्लेटों के लिए है, CMOS इलेक्ट्रॉनिक्स के अनुकूल 30 nm और 100 nm सिलिकॉन फिल्मों के सिमुलेशन से भी इसी तरह का बेहतर प्रदर्शन देखने को मिला।
कुल मिलाकर, इस अध्ययन के परिणाम उभरते हुए फोटोनिक्स अनुप्रयोगों में सिलिकॉन-आधारित फोटोडिटेक्टरों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए 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 महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, प्रस्तावित विधि आधुनिक CMOS निर्माण प्रक्रियाओं के अनुकूल है और इसलिए इसमें ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स को पारंपरिक सर्किटों में एकीकृत करने के तरीके में क्रांतिकारी बदलाव लाने की क्षमता है। इससे किफायती अति-तीव्र कंप्यूटर नेटवर्क और इमेजिंग प्रौद्योगिकी में महत्वपूर्ण प्रगति का मार्ग प्रशस्त हो सकता है।