Technoleg newydd o ffotosynhwyrydd silicon tenau

Technoleg newydd offotosynhwyrydd silicon tenau
Defnyddir strwythurau dal ffotonau i wella amsugno golau mewn tenauffotosynhwyryddion silicon
Mae systemau ffotonig yn ennill tyniant yn gyflym mewn llawer o gymwysiadau sy'n dod i'r amlwg, gan gynnwys cyfathrebu optegol, synhwyro liDAR, a delweddu meddygol. Fodd bynnag, mae mabwysiadu ffotonig yn eang mewn atebion peirianneg yn y dyfodol yn dibynnu ar gost gweithgynhyrchu.ffotosynwyryddion, sydd yn ei dro yn dibynnu'n fawr ar y math o led-ddargludydd a ddefnyddir at y diben hwnnw.
Yn draddodiadol, silicon (Si) fu'r lled-ddargludydd mwyaf cyffredin yn y diwydiant electroneg, cymaint felly fel bod y rhan fwyaf o ddiwydiannau wedi aeddfedu o amgylch y deunydd hwn. Yn anffodus, mae gan Si gyfernod amsugno golau cymharol wan yn y sbectrwm is-goch agos (NIR) o'i gymharu â lled-ddargludyddion eraill fel gallium arsenide (GaAs). Oherwydd hyn, mae GaAs ac aloion cysylltiedig yn ffynnu mewn cymwysiadau ffotonig ond nid ydynt yn gydnaws â'r prosesau lled-ddargludyddion metel-ocsid cyflenwol (CMOS) traddodiadol a ddefnyddir wrth gynhyrchu'r rhan fwyaf o electroneg. Arweiniodd hyn at gynnydd sydyn yn eu costau gweithgynhyrchu.
Mae ymchwilwyr wedi dyfeisio ffordd o wella amsugno is-goch agos mewn silicon yn fawr, a allai arwain at ostyngiadau cost mewn dyfeisiau ffotonig perfformiad uchel, ac mae tîm ymchwil o UC Davis yn arloesi strategaeth newydd i wella amsugno golau mewn ffilmiau tenau silicon yn fawr. Yn eu papur diweddaraf yn Advanced Photonics Nexus, maent yn dangos am y tro cyntaf arddangosiad arbrofol o ffotosynhwyrydd wedi'i seilio ar silicon gyda strwythurau micro- a nano-arwyneb sy'n dal golau, gan gyflawni gwelliannau perfformiad digynsail sy'n gymharol â GaAs a lled-ddargludyddion grŵp III-V eraill. Mae'r ffotosynhwyrydd yn cynnwys plât silicon silindrog micron-drwchus wedi'i osod ar swbstrad inswleiddio, gyda "bysedd" metel yn ymestyn ar ffurf fforc bys o'r metel cyswllt ar frig y plât. Yn bwysig, mae'r silicon lwmpiog wedi'i lenwi â thyllau crwn wedi'u trefnu mewn patrwm cyfnodol sy'n gweithredu fel safleoedd dal ffotonau. Mae strwythur cyffredinol y ddyfais yn achosi i'r golau sydd fel arfer yn digwydd blygu bron i 90° pan fydd yn taro'r wyneb, gan ganiatáu iddo ymledu'n ochrol ar hyd y plân Si. Mae'r dulliau lluosogi ochrol hyn yn cynyddu hyd teithio golau ac yn ei arafu'n effeithiol, gan arwain at fwy o ryngweithiadau golau-mater ac felly mwy o amsugno.
Cynhaliodd yr ymchwilwyr hefyd efelychiadau optegol a dadansoddiadau damcaniaethol i ddeall effeithiau strwythurau dal ffotonau yn well, a chynhalion nhw sawl arbrawf yn cymharu ffotosynhwyryddion gyda nhw a hebddynt. Fe wnaethant ganfod bod dal ffotonau wedi arwain at welliant sylweddol yn effeithlonrwydd amsugno band eang yn y sbectrwm NIR, gan aros uwchlaw 68% gyda brig o 86%. Mae'n werth nodi, yn y band is-goch agos, fod cyfernod amsugno'r ffotosynhwyrydd dal ffotonau sawl gwaith yn uwch na silicon cyffredin, gan ragori ar gallium arsenide. Yn ogystal, er bod y dyluniad arfaethedig ar gyfer platiau silicon 1μm o drwch, mae efelychiadau o ffilmiau silicon 30 nm a 100 nm sy'n gydnaws ag electroneg CMOS yn dangos perfformiad gwell tebyg.
At ei gilydd, mae canlyniadau'r astudiaeth hon yn dangos strategaeth addawol ar gyfer gwella perfformiad ffotosynhwyryddion sy'n seiliedig ar silicon mewn cymwysiadau ffotonig sy'n dod i'r amlwg. Gellir cyflawni amsugno uchel hyd yn oed mewn haenau silicon ultra-denau, a gellir cadw cynhwysedd parasitig y gylched yn isel, sy'n hanfodol mewn systemau cyflymder uchel. Yn ogystal, mae'r dull arfaethedig yn gydnaws â phrosesau gweithgynhyrchu CMOS modern ac felly mae ganddo'r potensial i chwyldroi'r ffordd y mae optoelectroneg yn cael ei hintegreiddio i gylchedau traddodiadol. Gallai hyn, yn ei dro, baratoi'r ffordd ar gyfer naid sylweddol mewn rhwydweithiau cyfrifiadurol ultra-gyflym fforddiadwy a thechnoleg delweddu.