Нимгэн цахиурын фотодетекторын шинэ технологи

Шинэ технологинимгэн цахиурын фотодетектор
Фотон барих бүтцийг нимгэн орчинд гэрлийн шингээлтийг сайжруулахад ашигладагцахиурын фотодетекторууд
Фотоник системүүд нь оптик холбоо, liDAR мэдрэгч, эмнэлгийн дүрслэл зэрэг олон шинээр гарч ирж буй хэрэглээнд хурдацтай хэрэглэгдэж байна. Гэсэн хэдий ч ирээдүйн инженерийн шийдлүүдэд фотоникийг өргөнөөр нэвтрүүлэх нь үйлдвэрлэлийн өртгөөс хамаарна.фотодетекторууд, энэ нь эргээд тухайн зорилгоор ашигласан хагас дамжуулагчийн төрлөөс ихээхэн хамаарна.
Уламжлал ёсоор цахиур (Si) нь электроникийн салбарт хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг хагас дамжуулагч байсаар ирсэн тул ихэнх салбарууд энэ материалын эргэн тойронд хөгжсөн. Харамсалтай нь Si нь галлий арсенид (GaAs) зэрэг бусад хагас дамжуулагчтай харьцуулахад ойрын хэт улаан туяаны (NIR) спектрт харьцангуй сул гэрлийн шингээлтийн коэффициенттэй байдаг. Үүнээс болж GaAs болон холбогдох хайлшууд нь фотоник хэрэглээнд хөгжиж байгаа боловч ихэнх электроникийн үйлдвэрлэлд ашигладаг уламжлалт нэмэлт металл-оксид хагас дамжуулагч (CMOS) процессуудтай нийцдэггүй. Энэ нь тэдгээрийн үйлдвэрлэлийн зардлыг огцом өсгөхөд хүргэсэн.
Судлаачид цахиурын хэт улаан туяаны шингээлтийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх аргыг боловсруулсан бөгөөд энэ нь өндөр хүчин чадалтай фотоник төхөөрөмжүүдийн зардлыг бууруулахад хүргэж болзошгүй бөгөөд Калифорнийн Их Сургуулийн Дэвисийн судалгааны баг цахиурын нимгэн хальсан дахь гэрлийн шингээлтийг мэдэгдэхүйц сайжруулах шинэ стратегийг анхлан боловсруулж байна. Тэд Advanced Photonics Nexus сэтгүүлд нийтэлсэн хамгийн сүүлийн үеийн өгүүлэлдээ анх удаа гэрэл барьдаг бичил болон нано гадаргуугийн бүтэцтэй цахиур дээр суурилсан фотодетекторын туршилтын туршилтыг үзүүлж, GaAs болон бусад III-V бүлгийн хагас дамжуулагчтай харьцуулах боломжтой урьд өмнө байгаагүй гүйцэтгэлийн сайжруулалтыг хийжээ. Фотодетектор нь тусгаарлагч суурь дээр байрлуулсан микрон зузаантай цилиндр хэлбэртэй цахиурын хавтангаас бүрдэх бөгөөд хавтангийн дээд хэсэгт байрлах контакт металлаас хурууны сэрээ хэлбэрээр сунадаг металл "хуруунууд" байдаг. Чухал зүйл бол бөөгнөрсөн цахиур нь фотон барьцалдалтын цэг болж ажилладаг үечилсэн хэв маягаар байрлуулсан дугуй нүхнүүдээр дүүргэгдсэн байдаг. Төхөөрөмжийн ерөнхий бүтэц нь ердийн тусдаг гэрэл гадаргуу дээр унах үед бараг 90° нугарахад хүргэдэг бөгөөд энэ нь Si хавтгай дагуу хажуу тийш тархах боломжийг олгодог. Эдгээр хажуугийн тархалтын горимууд нь гэрлийн аяллын уртыг нэмэгдүүлж, үр дүнтэйгээр удаашруулж, гэрлийн бодисын харилцан үйлчлэлийг нэмэгдүүлж, улмаар шингээлтийг нэмэгдүүлдэг.
Судлаачид мөн фотоны барилтын бүтцийн нөлөөллийг илүү сайн ойлгохын тулд оптик симуляци болон онолын шинжилгээ хийж, фотодетекторуудыг фотодетектортой болон фотодетекторгүй харьцуулсан хэд хэдэн туршилт хийсэн. Тэд фотоны барилт нь NIR спектрт өргөн зурвасын шингээлтийн үр ашгийг мэдэгдэхүйц сайжруулж, 68%-иас дээш, оргил үедээ 86% байгааг тогтоожээ. Ойрын хэт улаан туяаны зурвасын хувьд фотоны барилтын фотодетекторын шингээлтийн коэффициент нь ердийн цахиурынхаас хэд дахин өндөр бөгөөд галлийн арсенидээс давсан болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй. Үүнээс гадна, санал болгож буй загвар нь 1μм зузаантай цахиурын хавтангуудад зориулагдсан боловч CMOS электрониктой нийцтэй 30 нм ба 100 нм цахиурын хальсны симуляци нь ижил төстэй сайжруулсан гүйцэтгэлийг харуулж байна.
Ерөнхийдөө энэхүү судалгааны үр дүн нь шинээр гарч ирж буй фотоникийн хэрэглээнд цахиур дээр суурилсан фотодетекторын гүйцэтгэлийг сайжруулах ирээдүйтэй стратегийг харуулж байна. Хэт нимгэн цахиурын давхаргад ч өндөр шингээлтийг бий болгож болох бөгөөд хэлхээний паразит багтаамжийг бага байлгаж болох бөгөөд энэ нь өндөр хурдны системд чухал ач холбогдолтой юм. Үүнээс гадна, санал болгож буй арга нь орчин үеийн CMOS үйлдвэрлэлийн процессуудтай нийцдэг тул оптоэлектроникийг уламжлалт хэлхээнд нэгтгэх арга барилыг хувьсгал хийх боломжтой юм. Энэ нь эргээд боломжийн үнэтэй хэт хурдан компьютерийн сүлжээ болон дүрслэх технологийн салбарт мэдэгдэхүйц үсрэлт хийх замыг нээж өгч магадгүй юм.