Công nghệ mới củamáy dò quang silicon mỏng
Cấu trúc bắt photon được sử dụng để tăng cường hấp thụ ánh sáng trong vật liệu mỏngmáy dò quang silicon
Hệ thống quang tử đang nhanh chóng thu hút 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, điều này 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 quang phổ hồng ngoại gần (NIR) so với các chất bán dẫn khác như gali 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 chúng tăng mạnh.
Các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một cách để tăng cường đáng kể khả năng hấp thụ hồng ngoại gần trong silicon, có thể dẫn đến việc giảm chi phí cho 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 trình diễn một cuộc trình diễn thử nghiệm về một bộ tách sóng quang dựa trên silicon với các cấu trúc bề mặt vi mô và nano thu 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 được đặt trên một chất nền cách điện, với các "ngón tay" kim loại kéo dài theo kiểu ngón tay-chĩa từ kim loại tiếp xúc ở đầu tấm. Điều quan trọng là silicon dạng cục được lấp đầy bằng các lỗ tròn được sắp xếp theo một mô hình tuần hoàn hoạt động như các vị trí thu photon. Cấu trúc tổng thể của thiết bị khiến ánh sáng chiếu tới thông thường bị uốn cong gần 90° khi chiếu vào bề mặt, cho phép ánh sáng truyền theo chiều ngang dọc theo mặt phẳng Si. Các chế độ truyền ngang này làm tăng chiều dài đường đi của ánh sáng và làm chậm nó lại, dẫn đến nhiều tương tác ánh sáng-vật chất hơn và do đó làm tăng khả năng hấp thụ.
Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành mô phỏng quang học và phân tích lý thuyết để hiểu rõ hơn về tác động của các cấu trúc bắt photon, và tiến hành một số thí nghiệm so sánh các bộ dò quang có và không có chúng. Họ phát hiện ra rằng việc bắt photon dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu suất hấp thụ băng thông rộng trong quang phổ NIR, duy trì ở mức trên 68% với đỉnh là 86%. Điều đáng chú ý là trong băng tần hồng ngoại gần, hệ số hấp thụ của bộ dò quang bắt photon cao hơn nhiều 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 của màng silicon 30 nm và 100 nm tương thích với thiết bị 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 dò quang dựa trên silicon trong các ứng dụng quang tử mới nổi. Có thể đạt được khả năng 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. Đến lượt mình, điều này có thể mở đường cho những bước nhảy vọt đáng kể trong mạng máy tính siêu nhanh giá cả phải chăng và công nghệ hình ảnh.
Thời gian đăng: 12-11-2024