Công nghệ mới của bộ tách sóng quang silicon mỏng

Công nghệ mới củabộ tách sóng quang silicon mỏng
Cấu trúc bắt photon được sử dụng để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong các màng mỏng.bộ tách sóng quang silicon
Các hệ thống quang tử đang nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mới nổi, bao gồm truyền thông quang học, cảm biến LiDAR và hình ảnh y tế. Tuy nhiên, việc ứng dụng rộng rãi công nghệ quang tử trong các giải pháp kỹ thuật tương lai phụ thuộc vào chi phí sản xuất.bộ tách sóng quangĐiều này lại phụ thuộc phần lớn vào loại chất bán dẫn được sử dụng cho mục đích đó.
Theo truyền thống, silicon (Si) là chất bán dẫn phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử, đến mức hầu hết các ngành công nghiệp đều phát triển dựa trên vật liệu này. Tuy nhiên, Si có hệ số hấp thụ ánh sáng tương đối yếu trong phổ hồng ngoại gần (NIR) so với các chất bán dẫn khác như gallium arsenide (GaAs). Vì lý do này, GaAs và các hợp kim liên quan đang phát triển mạnh trong các ứng dụng quang học nhưng lại không tương thích với các quy trình bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) truyền thống được sử dụng trong sản xuất hầu hết các thiết bị điện tử. Điều này dẫn đến sự gia tăng mạnh chi phí sản xuất của chúng.
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để tăng cường đáng kể khả năng hấp thụ tia hồng ngoại gần trong silicon, điều này có thể dẫn đến giảm chi phí trong các thiết bị quang tử hiệu suất cao, và một nhóm nghiên cứu của UC Davis đang tiên phong trong một chiến lược mới để cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ ánh sáng trong các màng mỏng silicon. Trong bài báo mới nhất của họ tại Advanced Photonics Nexus, họ lần đầu tiên chứng minh thực nghiệm về một bộ tách sóng quang dựa trên silicon với cấu trúc vi mô và nano trên bề mặt giúp thu nhận ánh sáng, đạt được những cải tiến hiệu suất chưa từng có, tương đương với GaAs và các chất bán dẫn nhóm III-V khác. Bộ tách sóng quang bao gồm một tấm silicon hình trụ dày micromet được đặt trên một chất nền cách điện, với các "ngón tay" kim loại kéo dài theo kiểu chĩa ba từ kim loại tiếp xúc ở phía trên của tấm. Điều quan trọng là, silicon gồ ghề được lấp đầy bởi các lỗ tròn được sắp xếp theo một mô hình định kỳ hoạt động như các vị trí thu nhận photon. Cấu trúc tổng thể của thiết bị khiến ánh sáng chiếu vuông góc bị bẻ cong gần 90° khi chạm vào bề mặt, cho phép nó lan truyền theo chiều ngang dọc theo mặt phẳng Si. Các chế độ lan truyền ngang này làm tăng quãng đường truyền của ánh sáng và làm chậm nó lại một cách hiệu quả, dẫn đến nhiều tương tác giữa ánh sáng và vật chất hơn, từ đó làm tăng sự hấp thụ.
Các nhà nghiên cứu cũng tiến hành mô phỏng quang học và phân tích lý thuyết để hiểu rõ hơn về tác động của cấu trúc thu photon, và thực hiện một số thí nghiệm so sánh các bộ tách sóng quang có và không có cấu trúc này. Họ nhận thấy rằng việc thu photon dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu suất hấp thụ băng thông rộng trong phổ NIR, duy trì ở mức trên 68% với mức đỉnh là 86%. Điều đáng chú ý là trong dải hồng ngoại gần, hệ số hấp thụ của bộ tách sóng quang thu photon cao hơn nhiều lần so với silicon thông thường, vượt trội hơn cả gallium arsenide. Ngoài ra, mặc dù thiết kế được đề xuất dành cho các tấm silicon dày 1μm, nhưng các mô phỏng đối với màng silicon 30 nm và 100 nm tương thích với mạch điện tử CMOS cho thấy hiệu suất được cải thiện tương tự.
Nhìn chung, kết quả của nghiên cứu này chứng minh một chiến lược đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu suất của các bộ tách sóng quang dựa trên silicon trong các ứng dụng quang tử mới nổi. Khả năng hấp thụ cao có thể đạt được ngay cả trong các lớp silicon siêu mỏng, và điện dung ký sinh của mạch có thể được giữ ở mức thấp, điều này rất quan trọng trong các hệ thống tốc độ cao. Ngoài ra, phương pháp được đề xuất tương thích với các quy trình sản xuất CMOS hiện đại và do đó có tiềm năng cách mạng hóa cách tích hợp các thiết bị quang điện tử vào các mạch truyền thống. Điều này, đến lượt nó, có thể mở đường cho những bước tiến đáng kể trong các mạng máy tính siêu nhanh giá cả phải chăng và công nghệ hình ảnh.