Ný tækni í þunnum sílikon ljósnema

Ný tækni afþunnur sílikon ljósnemi
Ljóseiningarbyggingar eru notaðar til að auka ljósgleypni í þunnum efnumljósnemar úr sílikoni
Ljósfræðileg kerfi eru ört að ná vinsældum í mörgum nýjum forritum, þar á meðal ljósfræðilegum samskiptum, LiDAR skynjun og læknisfræðilegri myndgreiningu. Hins vegar er útbreidd notkun ljósfræðilegra kerfa í verkfræðilegum lausnum framtíðarinnar háð framleiðslukostnaði.ljósnemar, sem aftur fer að miklu leyti eftir því hvaða gerð hálfleiðara er notaður í þeim tilgangi.
Hefðbundið hefur kísill (Si) verið algengasti hálfleiðarinn í rafeindaiðnaðinum, svo mikið að flestar atvinnugreinar hafa þroskast í kringum þetta efni. Því miður hefur kísill tiltölulega veikan ljósgleypnisstuðul í nær-innrauða litrófinu (NIR) samanborið við aðra hálfleiðara eins og gallíumarseníð (GaAs). Vegna þessa dafna GaAs og skyldar málmblöndur í ljósfræðilegum forritum en eru ekki samhæfðar hefðbundnum CMOS-ferlum (complementary metal-oxide halflectors) sem notaðar eru við framleiðslu flestra raftækja. Þetta leiddi til mikillar hækkunar á framleiðslukostnaði þeirra.
Rannsakendur hafa fundið leið til að auka verulega nær-innrauða frásog í kísli, sem gæti leitt til kostnaðarlækkunar í afkastamiklum ljósfræðilegum tækjum, og rannsóknarteymi við UC Davis er brautryðjandi í nýrri aðferð til að bæta verulega ljósgleypni í þunnum kísilfilmum. Í nýjustu grein sinni í Advanced Photonics Nexus sýna þeir í fyrsta skipti tilraunakennda sýnikennslu á kísil-byggðum ljósnema með ljósfangandi ör- og nanó-yfirborðsbyggingum, sem ná fram fordæmalausum framförum í afköstum sem eru sambærilegar við GaAs og aðra hálfleiðara í III-V flokki. Ljósneminn samanstendur af míkrónóþykkri sívalningslaga kísilplötu sem er sett á einangrandi undirlag, með málm „fingur“ sem teygja sig eins og fingurgaffal frá snertimálminum efst á plötunni. Mikilvægt er að kekkjótta kísillinn er fylltur með hringlaga götum sem eru raðað í reglubundnu mynstri sem virka sem ljóseindafangunarstaðir. Heildarbygging tækisins veldur því að venjulega fellur ljósið beygist um næstum 90° þegar það lendir á yfirborðinu, sem gerir því kleift að breiðast út til hliðar eftir Si-planinu. Þessar láréttu útbreiðsluaðferðir auka ljósferðarlengd og hægja á henni í raun, sem leiðir til meiri víxlverkunar ljóss og efnis og þar með aukinnar frásogs.
Rannsakendurnir framkvæmdu einnig ljósfræðilegar hermir og fræðilegar greiningar til að skilja betur áhrif ljóseindafangunarbygginga og nokkrar tilraunir þar sem ljósnemar með og án þeirra voru bornir saman. Þeir komust að því að ljóseindafanga leiddi til verulegrar bættrar breiðbandsgleypni í NIR litrófinu, yfir 68% með hámarki upp á 86%. Það er vert að taka fram að í nær-innrauða sviðinu er gleypnistuðull ljóseindafangunarskynjarans nokkrum sinnum hærri en venjulegs kísils, og er meiri en gallíumarseníð. Þó að fyrirhuguð hönnun sé fyrir 1 μm þykkar kísillplötur, sýna hermir af 30 nm og 100 nm kísillfilmum sem eru samhæfar CMOS rafeindatækni svipaða aukna afköst.
Í heildina sýna niðurstöður þessarar rannsóknar fram á efnilega aðferð til að bæta afköst ljósnema sem byggja á kísil í nýjum ljósfræðilegum forritum. Hægt er að ná mikilli frásog jafnvel í örþunnum kísillögum og hægt er að halda sníkjudýrarafköstum rafrásarinnar lágum, sem er mikilvægt í hraðkerfum. Að auki er fyrirhuguð aðferð samhæf nútíma CMOS framleiðsluferlum og hefur því möguleika á að gjörbylta því hvernig ljósleiðarar eru samþættir hefðbundnum rafrásum. Þetta gæti aftur á móti rutt brautina fyrir veruleg stökk í hagkvæmum örhröðum tölvunetum og myndgreiningartækni.