Công nghệ mới củabộ tách sóng quang silicon mỏng
Cấu trúc bắt photon được sử dụng để tăng cường sự hấp thụ ánh sáng ở dạng mỏngbộ tách sóng quang silicon
Các hệ thống quang tử đang nhanh chóng thu hút được sự chú ý trong nhiều ứng dụng mới nổi, bao gồm truyền thông quang học, cảm biến liDAR và hình ảnh y tế. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi quang tử trong các giải pháp kỹ thuật trong tương lai phụ thuộc vào chi phí sản xuấtbộ tách sóng quang, do đó 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 xung quanh vật liệu này. Thật không may, 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). Do đó, GaAs và các hợp kim liên quan đang phát triển mạnh trong các ứng dụng quang tử nhưng 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 chi phí sản xuất của họ tăng mạnh.
Các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một cách để tăng cường đáng kể sự hấp thụ hồng ngoại gần ở silicon, điều này có thể giúp giảm chi phí cho các thiết bị quang tử hiệu suất cao, và nhóm nghiên cứu của UC Davis đang đi tiên phong trong một chiến lược mới nhằm cải thiện đáng kể sự hấp thụ ánh sáng trong màng mỏng silicon. Trong bài báo mới nhất của họ tại Advanced Photonics Nexus, lần đầu tiên họ trình diễn thử nghiệm bộ tách sóng quang dựa trên silicon với các cấu trúc bề mặt nano và vi mô thu ánh sáng, đạt được những cải tiến hiệu suất chưa từng có so với GaAs và các chất bán dẫn nhóm III-V khác . Bộ tách sóng quang bao gồm một tấm silicon hình trụ dày micron đặt trên một chất nền cách điện, với các “ngón tay” kim loại kéo dài theo kiểu hình nĩa từ kim loại tiếp xúc ở phía trên tấm. Điều quan trọng là silicon dạng cục chứa đầy các lỗ tròn được sắp xếp theo mô hình tuần hoàn đóng vai trò là nơi bắt giữ photon. Cấu trúc tổng thể của thiết bị làm cho ánh sáng tới bình thường bị bẻ cong gần 90° khi chạm vào bề mặt, cho phép nó truyền ngang dọc theo mặt phẳng Si. Các chế độ truyền ngang này làm tăng thời gian di chuyển của ánh sáng và làm chậm nó một cách hiệu quả, dẫn đến nhiều tương tác ánh sáng-vật chất hơn và do đó tăng khả năng 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 các cấu trúc bắt photon, đồng thời tiến hành một số thí nghiệm so sánh các bộ tách sóng quang có và không có chúng. Họ phát hiện ra rằng việc bắt photon đã 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 cao nhất là 86%. Điều đáng chú ý là ở dải hồng ngoại gần, hệ số hấp thụ của bộ tách sóng quang bắt photon cao hơn vài lần so với silicon thông thường, vượt quá gali arsenide. Ngoài ra, mặc dù thiết kế được đề xuất dành cho các tấm silicon dày 1μm, nhưng các mô phỏng màng silicon 30 nm và 100 nm tương thích với thiết bị điện tử CMOS cho thấy hiệu suất được nâng cao tương tự.
Nhìn chung, kết quả của nghiên cứu này chứng minh một chiến lược đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu suất của bộ tách sóng quang dựa trên silicon trong các ứng dụng quang tử mới nổi. Có thể đạt được độ hấp thụ cao 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 quang điện tử vào các mạch truyền thống. Ngược lại, điều này có thể mở đường cho những bước nhảy vọt đáng kể trong mạng máy tính cực nhanh và công nghệ hình ảnh.
Thời gian đăng: 12-11-2024