Fotodetektoriams, kurie keičia optinius signalus į elektrinius, gaminti paprastai naudojamas ne silicis, bet brangesnės ir efektyvesnės puslaidininkinės medžiagos, tokios, kaip galio arsenidas ar indžio fosfidas.
Pasirodė, kad nanometrų dydžio skylutės silicio plokštėse gali padėti sukurti pigesnius naujo tipo fotodetektorius, kurie galėtų būti naudojami įvairiausiuose duomenų centruose bei kompiuteriuose, o jų greitis būtų panašus, kaip ir galio arsenido fotodetektorių. Šią technologiją sukūrė inžinieriai iš Kalifornijos universiteto (University of California, JAV) ir pradedančioji Silicio slėnio įmonė W&WSens Devices.
„Mes bandome padaryti tai, ko silicis paprastai negali padaryti,“ sakė Saifas Islamas (Saif Islam), Kalifornijos universiteto profesorius ir vienas iš šio darbo bendraautorių. „Didelės spartos fotodetektoriams gaminti yra naudojamas galio arsenidas, gerokai brangesnė medžiaga. Tačiau jei galėtume fotodetektorius pagaminti tik iš vienos medžiagos, silicio, jie būtų gerokai pigesni, nes be pigesnės žaliavos, būtų paprastesnis bei pigesnis ir gamybos procesas“.
Duomenų centrų, aptarnaujančių Interneto „debesų“ technologijas, skaičius greitai auga, ir tai kuria paklausą įrenginiams, galintiems labai greitai perduoti didelius duomenų kiekius nedideliais atstumais, duomenų centro ribose, nuo kelių iki kelių šimtų metrų.
Tam naudojami šviesolaidžiai, kurie perduoda duomenis kaip šviesos impulsus. Tačiau šie signalai turi būti konvertuojami į elektroninius impulsus, o tai padaro fotodetektoriai, iš gautų fotonų sukuriantys elektronų srautą. Jie gali būti pagaminti ir iš silicio, tačiau tenka rinktis tarp greičio ir efektyvumo. Norint pagauti didžiąją dalį šviesolaidžiais ateinančių fotonų, silicio sluoksnis fotodetektoriuje turi būti pakankamai storas, tačiau tuomet jis ima veikti lėčiau. Fotodetektorius su plonesniu silicio sluoksniu veikia greičiau, bet tuomet prarandama daug fotonų.
Todėl vietoj silicio naudojamos kitos medžiagas, pavyzdžiui, galio arsenidas ar indžio fosfidas. Galio arsenidas yra apie dešimt kartų efektyvesnis, lyginant su siliciu, tačiau jis ir gerokai bangesnis.
Naujame detektoriuje silicio plokštėlėje sukuriamos nanometrų dydžio kūginės skyles, kurios fotonus nukreipia į šonus, taip padidinant fotonų sugavimo efektyvumą, bet tuo pačiu išlaikant plonasluoksnį silicio pagrindą.
Toks fotodetektoriaus gali konvertuoti duomenis iš optinio signalo į elektroninį 20 gigabaitų per sekundę greičiu (tai daugiau nei 200 kartų greičiau nei vyksta duomenų perdavimas kabeliniame modeme), o jo kvantinis našumas – pagautų fotonų procentas- siekia 50. Tai kol kas geriausi silicio fotodetektoriaus pasiekti geitaveikos ir efektyvumo rodikliai.
Kūginės skylutės kaip spąstai šviesai
Tyrėjų grupė pradėjo eksperimentuoti, norėdama rasti būdą, kaip padidinti silicio efektyvumą. Po dvejus metus trukusių eksperimentų jie surado, kad vienas geriausių metodų – siaurėjančios skylutės.
Fotonai, patekę į tokias skylutes, yra įtraukiami į silicio plokštelę. Jos storis – tik 2 mikrometrai, tačiau todėl, kad fotonai ima judėti į šonus, jie nukeliauja nuo 30 iki 40 mikrometrų, panašiai kaip bangos, į vandenį įmetus akmenį.
Pasirodė, kad toks detektorius gali veikti ir su įvairesnio bangos ilgio šviesa, nei analogiškos dabartinės fotodetektorių technologijos.
Fotonų sklidimo silicio plokštelėje po tai, kai jie pakliūna į skylutes, video modeliavimo rezultatai. Iliustr.: UC Davis Department of Electrical and Computer Engineering
Šaltinis:
Photon trapping microstructures enable high-speed high-efficiency silicon photodiodes, Nature Photonics, nature.com/articles/doi:10.1038/nphoton.2017.37
Tiny black holes enable a new type of photodetector for high speed data
Daugiau:
Jau 50 metų Lietuvoje lazeriai tarnauja puslaidininkių tyrimams
Šokinėjantys lašeliai gali efektyviai aušinti įkaitusias elektronikos schemų vietas
Sukurta ypatingų šviesos sugerties savybių metamedžiaga
Sukurtas perspektyvių savybių puslaidininkinis nanokompozitas
Elonas Maskas pranešė įkūręs firmą „Neuralink“
Puslaidininkiai komponentai be įprastinių puslaidininkinių medžiagų – jau realybė