Công nghệ mới của bộ tách sóng quang silicon mỏng

Công nghệ mới củamáy dò quang silicon mỏng
Cấu trúc bắt photon được sử dụng để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vật liệu mỏngmáy dò quang silicon
Hệ thống quang tử đang nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi 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 tương lai phụ thuộc vào chi phí sản xuất.bộ 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 đã 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 gali arsenide (GaAs). Do đó, GaAs và các hợp kim liên quan đang phát triển mạnh mẽ trong các ứng dụng quang tử 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 chi phí sản xuất của chúng tăng mạnh.
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp để tăng cường đáng kể khả năng hấp thụ hồng ngoại gần trong silicon, điều này 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, lần đầu tiên họ 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 phía trên cùng của tấm. Điều quan trọng là, silicon dạng cục được lấp đầy các lỗ tròn được sắp xếp theo một mẫu tuần hoàn hoạt động như các vị trí bắt photon. Cấu trúc tổng thể của thiết bị khiến ánh sáng tới thông thường bị bẻ cong gần 90° khi chiếu vào bề mặt, cho phép nó 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 giữa ánh sáng và 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 cấu trúc thu giữ photon, đồng thời thực hiện một số thí nghiệm so sánh các bộ tách sóng quang có và không có chúng. Họ nhận thấy rằng việc thu giữ photon dẫn đến sự cải thiện đáng kể hiệu suất hấp thụ băng thông rộng trong phổ NIR, duy trì trên 68% với đỉnh là 86%. Điều đáng chú ý là trong dải hồng ngoại gần, hệ số hấp thụ của bộ tách sóng quang thu giữ photon cao hơn nhiều lần so với silicon thông thường, vượt trội hơn gali arsenide. Ngoài ra, mặc dù thiết kế được đề xuất dành cho các tấm silicon dày 1μm, nhưng các mô phỏng trên 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 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. Độ hấp thụ cao có thể đạt được ngay cả trên 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. Hơn nữa, 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. Điều này, đến lượt nó, có thể mở đường cho những bước tiến đáng kể trong công nghệ hình ảnh và mạng máy tính siêu nhanh giá cả phải chăng.