آشکارسازهای نوری فلز-نیمه‌هادی-فلز رحمان شرف قراچولو امیدرضا دانشمندی   فهیمه بهزادی آشکارسازهای نوری فلز-نیمه‌هادی-فلز

کاربردهای فناوری نانو نانوقطعات الکترونیکی و نوری چهارم

شبکه‌های انتقال داده و فیبرهای نوری امروزه کاربردهای شبکه‌های انتقال داده مانند اینترنت و ارتباطات تلفنی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور سنتی، لینک ارتباطی در اینگونه شبکه‌ها سیم مسی است و الکترون‌های آزاد آن، حامل‌های پیام می‌باشند. به علت محدودیت پهنای باند برای حجم داده‌های بیشتر و همچنین تلفات زیاد سیم‌های مسی، توجه مهندسان مخابرات به استفاده از فیبرهای نوری به عنوان لینک ارتباطی و فوتون‌های نور به عنوان حامل پیام، جلب شد.

شبکه‌های انتقال داده و فیبرهای نوری فوتون‌ها، کوچکترین بسته‌های انرژی تشکیل دهنده ماهیت ذره‌ای نور هستند. فیبر نوری از یک استوانه شیشه‌ای با قطربسیار کوچک (در حد چند تا چند ده میکرون) تشکیل شده است. نور ورودی با زاویه‌ای به درون آن تابانده می‌شود، به طوری‌که بازتاب کلی رخ داده و نور درون آن محبوس بماند.

شبکه‌های انتقال داده و فیبرهای نوری برای یک لینک نوری ساده، علاوه بر فیبر نوری به یک مولد نور (لیزر) برای تبدیل سیگنال الکتریکی به نوری، و یک آشکارساز نوری برای تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی نیاز است.

شبکه‌های انتقال داده و فیبرهای نوری یک آشکارساز نوری به طور ساده از پیوند دو نیمه‌هادی با آلایش نوع P (Positive) و نوع N (Negative)،تشکیل شده است که به طور معکوس بایاس شده است. در این‌صورت در محل پیوند دو نیمه‌هادی یک سد پتانسیل ایجاد شده که مانع از عبور الکترون و جاری شدن جریان الکتریکی در مدار می‌گردد.

شبکه‌های انتقال داده و فیبرهای نوری اگر نور به محل پیوند P-N برخورد کند، بعضی از پیوندها را شکسته و تولید زوج الکترون-حفره می‌کند، که به ترتیب جذب قطب مثبت و منفی منبع تغذیه می‌شوند. در نتیجه در مدار متناسب با نور برخوردی جریان الکتریکی تولید می‌شود و تبدیل نور به سیگنال الکتریکی انجام می‌گیرد. یک دیود را می‌توان به جای استفاده از دو نیمه هادی نوع N و P، از اتصال یک نیمه‌هادی خالص بدون آلایش و یک فلز ساخت که به آن دیود شاتکی گویند. در یک دیود شاتکی، اختلاف توابع کار فلز با نیمه هادی، باعث ایجاد یک سد پتانسیل می‌شود.

آشکارساز نوری آشکارساز نوریِ فلز-نیمه‌هادی-فلز، دارای دو اتصال شاتکی پشت به پشت است. این آشکارساز از یک زیرلایه (نیمه‌هادی) خالص به عنوان لایه فعال و دو اتصال فلزی رونشانی شده بر روی آن تشکیل می‌شود که هر اتصال فلزی با زیرلایه تشکیل یک اتصال شاتکی را می‌دهد. این اتصالات به یک اختلاف پتانسیل متصل می‌شوند تا حامل‌های ایجاد شده بر اثر برخورد نور به زیرلایه را جمع‌آوری کنند.

آشکارساز نوری مطالعه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمه‌هادی-فلز (MSM-PD)، از اوایل دهه­ی 1970 آغازشد. طی دهه‌های گذشته، طراحی و ساخت آشکارسازهای MSMبه دلیل سرعت بالا، در سیستم‌های الکترونیکی-نوری مجتمع، مخابرات فیبر نوری، اتصالات بین تراشه‌ای و نمونه برداری با نرخ بالا مورد توجه بوده است. به دلیل خازن داخلی با ظرفیت بسیار پایین MSM-PDها، سرعت پاسخ آنها معمولاً در حد چند ده پیکوثانیه است. سرعت پاسخ، زمان از لحظه برخورد نور به آشکارساز تا ایجاد سیگنال الکتریکی توسط آشکارساز می‌باشد. با توجه به ماده نیمه‌هادی به کار رفته در زیرلایه، طول موج کاریِMSM-PD تغییر می کند. به عنوان مثال برای طول موج مخابرات نوری (1.3µm و 1.55µm) می‌توان از InGaAs- InP استفاده کرد

آشکارساز نوری شانه‌ای کردن الکترودهای MSM، باعث افزایش پهنای باند نسبت به آشکارسازهای PIN استاندارد می‌شود. یکی از محدودیت‌های افزایش سرعت MSMها، زمان لازم برای حرکت بارهای بوجود آمده در اثر برخورد نور با لایه فعال، تا رسیدن به الکترودها می‌باشد. برای غلبه بر محدودیت ذاتی زمان پاسخ، می‌توان فاصله بین الکترودهای شانه‌ای را کاهش داد.

آشکارساز نوری برای استفاده از MSM-PDها در مدارات مجتمع نوری لازم است تا ابعاد آنها بسیار کوچک باشند. از طرفی کاهش فاصله بین الکترودها و ابعاد آشکارساز، باعث کاهش ناحیه موثر فعال جذب نور می‌شود و در نتیجه حساسیت آشکارساز را بدتر می‌کند. بنابراین روند افزایش سرعت پاسخ و کوچک‌سازی MSM-PDها با یک بهینه‌سازی بین این پارامترها و حساسیت مواجه می‌شود. یک راهکار مناسب، استفاده از ساختارهای MSM-PDهای پلاسمونیک است. در MSM-PDهایی با اتصالات فلزی در حد نانو، برخورد نور با فلز باعث تحریک پلاسمون‌های سطحی در فلز می‌شود. این پلاسمون‌ها باعث می‌شوند حتی با وجود فاصله بسیار کم بین الکترودها (در حد چند ده تا چند صد نانومتر) جذب نور و در نتیجه حساسیت بالا رود.

آشکارساز نوری پلاسمون‌های سطحی، امواج الکترومغناطیسی هستند که در طول مرز یک هادی منتشر می‌شوند. خواص بر هم‌کنش SPها با نور، باعث ایجاد امواج پلاسمون-پلاریتون‌های سطحی، می‌شود. SPPها ویژگی‌هایی را ایجاد می‌کنند که بوسیله آن می‌توان قطعات فوتونیکی با ابعاد بسیار کوچکتر از آنچه که تاکنون به دست آمده است، ساخت. SPها در اپتیک زیر طول موج، ذخیره‌سازی داده، تولید نور، میکروسکوپ‌ها و ادوات فوتونیکی زیستی کاربرد دارند. وجود تکنولوژی ساخت و مشخصه‌سازی فلزهایی با ساختار نانو، باعث افزایش علاقه به SPها شد.

آشکارساز نوری مطالعه و شناخت در مورد SPها، به طور گسترده‌ای در دهه‌ی 1950 بعد از مقاله ریچه شروع شد. همچنین مطالعاتی در مورد تشدیدهای پلاسمون سطحی در فیلم‌های فلزی نازک و پراش نوری از ذرات فلزی نانو در اوایل دهه‌ی 1970 انجام شد. مشاهده انتقال بهبود یافته نور از میان آرایه‌ای متناوب از حفره‌هایی با ابعاد کمتر از طول موج در فیلم‌های فلزی توجه زیادی را به SPها جلب کرد. امروزه تحقیقات در زمینه پلاسمونیک، بر روی مجتمع‌سازی قطعات پلاسمونیک برای کاربردهای مخابرات نوری و تبادل داده متمرکز شده است. ایجاد چنین زمینه‌ای، حاصل بررسی قطعات پلاسمونیک جدیدی است که در طی سال‌های اخیر توسعه داده شده‌اند. بنابراین، موجبرها، تزویح کننده‌ها، و مدولاتورهای نوری، به همراه منابع نوری و آشکارسازهای نوری، موضوع اصلی زمینه پلاسمونیک امروزی را تشکیل می‌دهند.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری امروزه، پلاسمونیک در زمینه‌های مختلفِ ادوات نوری و الکترونیکی کاربردهای گسترده‌ای دارد. ادوات ذخیره‌سازی اطلاعات سلول‌های خورشیدی تولید لیزرها تولید LEDها موجبرها ساخت آشکارسازهای نوری با راندمان و سرعت بالا

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2004 نشان داده شد که با قرار دادن یک لایه نیمه‌هادی جاذب نور در حد نانو، بین دو الکترود با فاصله کم، می‌توان به یک آشکارساز MSM با راندمان بیش از 50% و فرکانس قطع بزرگتر از 300 GHz دست یافت. در این ساختار، از رشته‌های نیمه هادی در حد نانو بین رشته‌های فلزی با سطح مقطع کوچکتر از استفاده شده است. طول متوسط حرکت آزاد بارها 50 nm است و همچنین سطح مقطع رشته‌ها 40×100‌nm می‌باشد.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری نوسانات SPP بین توری پراش (صفحات متناوب در راستای انتشار موج) فلزی بالایی و پایینی ساختار که برای این نوسانات به صورت آیینه عمل می‌کند، به دام افتاده و باعث می‌شوند تا بیشترین انرژی در نزدیکی روزنه‌ها متمرکز شود. نتایج به دست آمده نشان داد که با ساختار مذکور، می‌توان به صورت تئوری، به راندمان 75% و فرکانس قطع 500 GHz دست یافت. این ساختار برای طول موج 800 nm طراحی شده است.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2006، از خاصیت پلاسمون‌های سطحی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز نوری در فرکانس‌های مادون قرمز میانی، از طریق بهبود جذب، استفاده شد. این آشکارساز شامل یک روزنه، در یک ورقه فلزی است که با ماده نیمه‌هادی جذب کننده نور پر شده است. جذب نور در روزنه، بوسیله تشدیدهای Fabry-Perot بهبود داده می‌شود و بهبود بیشتر، بوسیله ایجاد شیارهای پریودیک اطراف روزنه انجام می‌گیرد که با تحریک SPها، انرژی الکترومغناطیسی به سمت روزنه منتقل می‌شود.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری آشکارساز نوری در فرکانس‌های مادون قرمز میانی، برای طول موج 9.8 µm طراحی شده است. در این آشکارساز، ابعاد روزنه‌ها و توری پراش فلزی و همچنین تعداد توری‌ها به گونه‌ای انتخاب شده است که در طول موج 980 nm تشدید Fabry-Perot و تحریک SP با هم ایجاد شوند. نتایج نشان می‌دهد که با ساختار ارائه شده، تا 250 برابر بهبود جذب در واحد حجم ماده نیمه‌هادی، نسبت به آشکارسازهای متداول در طول موج مشابه، حاصل شده است. در ساختار این آشکارساز، زیرلایه شامل یک ماده اکسید با شاخص کم (ε=2.25) است که روی آن ورقه‌ای از طلا رونشانی شده است. ماده نیمه هادی که روزنه ساختار آشکارساز را پر می‌کند، HgCdTe است. طول ورقه طلا بی‌نهایت فرض شده است اما تعداد شکاف‌های روی آن محدود است.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری پیک‌هایی که در نمودارها مشاهده می‌شوند، نشان می‌دهد تحریک پلاسمون‌های سطحی و تشدید Fabry-Perot با هم و در یک فرکانس رخ نمی‌دهد. در این شکل، پارامترها طوری بهینه شده‌اند که این دو در یک طول موج، همزمان رخ داده و در نتیجه میزان جذب نور بیشتر می‌شود. پارامتر Ng تعداد شکاف‌های موجود در ورقه طلا را نشان می‌دهد.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2007، یک طراحی بهینه برای MSM-PDهایی با الکترودهای شانه‌ای با ابعاد زیر طول موج ارائه داده شد که در آن از یک چاه کوانتومی تنها، به عنوان لایه جذب کننده استفاده شد. تحریک SPها در مرز نیمه‌هادی و فلز، باعث بهبود قدرت میدان در نزدیکی الکترودها شده و به تبعِ آن باعث افزایش جذب در QW می‌شود. این موضوع سبب می‌شود تا هم پاسخ الکتریکی سریع‌تر و هم راندمان کوانتومی بالاتری به دست آید. در این ساختار با تناوب توری پراش 820 nm و پهنای الکترود 460 nm، جذب نور با پلاریزاسیون صفحه‌ای در QW، نسبت به حالتی که الکترودی وجود ندارد، تا 16 برابر افزایش می‌یابد.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری وجود الکترودها نه تنها مانعی برای جذب نور در نیمه‌هادی نیست، بلکه با استفاده از خاصیت SP باعث بهبودِ جذب نیز می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش عرض الکترودها، پیک جذب در QW به سمت انرژی‌های پایین‌تر شیفت پیدا می‌کند. بیشترین جذب برای عرض 460 nm رخ داده است که معادل با طول موج جذبی 1030 nm است.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2008، یک ساختار توری پراش دایره‌ای برای بهبود نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز مادون قرمز، پیشنهاد داده شد. شبیه‌سازی‌ها نشان داد که نسبت سیگنال به نویز در این ساختار تا 5/2 برابر بهبود می‌یاید، در حالیکه برای توری پراش خطی حداکثر 1/7 برابر بهبود حاصل می‌شود. ضریب جذب در ساختار توری پراش دایره‌ای، 400 برابر نسبت به حالت بدون توری پراش بیشتر شده است.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2010، یک ساختار آشکارساز MSM، با توری پراش فلزی پیشنهاد داده شد. تشعشعات SPP بوجود آمده در مرز نیمه‌های و فلز توری پراش شده، باعث می‌شود تا ضریب جذب نسبت به MSMهایی با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش فلزی، 16 برابر بهبودپیدا کند.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری عوامل موثر در ضریب جذب عبارتند از: پهنای روزنه دوره تناوب توری پراش تعداد توری پراش ارتفاع توری پراش ارتفاع روزنه نتایج ارائه شده نشان داد که هرچه ارتفاع و ضخامت روزنه کمتر شود، ضریب جذب بیشتر می‌شود. همچنین، تغییرات پهنای اولین توری پراش فلزی علاوه بر تاثیر بر ضریب جذب، باعث شیفت در طول موجِ پیکِ جذب می‌گردد. تاثیر توری پراش فلزی بر روی ضریب جذب به ازای تعداد توری پراش‌های بیشتر از 5 عدد (Ng > 5)، اشباع می‌شود.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری پارامتر مقدار بهینه شده برای طول موج 980 nm hg ارتفاع توری پراش فلزی 100 nm Xd پهنای روزنه 50 nm L ارتفاع روزنه Xm توری پراش فلزی 300 nm Ng تعداد توری پراش 5 نسبت بهبود ضریب جذب برابر16 مقادیر بهینه شده برای ساختار آشکارساز MSM باتوری پراش فلزی

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری برای بهبود بیشتر ضریب جذب، درسال 2010، یک ساختار MSM پلاسمونیک با دولایه توری پراش، بر پایه ساختار قبل، پیشنهاد داده شد. نتایج ارائه شده نشان داد که ضریب جذب نسبت به ساختار MSM با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش، 25 برابر بهبود پیدا کرده است.

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری پارامتر مقدار بهینه شده برای طول موج 980 nm Xmp چرخه‌ی وظیفه توری پراش بالایی 0.5 Xm پهنای اولین توری پراش بالایی 300 nm Xd پهنای روزنه زیر طول موج 50 nm Xbmp چرخه‌ی وظیفه توری پراش پایینی Xbdp پهنای اولین توری پراش پایینی hg ارتفاع توری پراش بالایی 60 nm L ارتفاع روزنه زیر طول موج 100 nm hbg ارتفاع توری پراش پایینی Λ تناوب توری پراش بالایی 950 nm Λb تناوب توری پراش پایینی 200 nm مقادیر بهینه شده ساختار جدید برای طول موج 980 nm

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری در سال 2011، تأثیر شیفت فاز اولین توری پراش و ذوزنقه‌ای بودن توری پراش فلزی، به صورت تئوری و عملی بررسی شد و نشان داده شد که در عمل، شکل توری پراش‌ها به جای مستطیلی بودن، ذوزنقه‌ای است. نتیجه افزایش شیفت فاز و ذوزنقه‌ای بودن توری پراش‌ها، کاهش ضریب جذب آشکارساز MSM است. شیفت فاز به صورت رابطه زیر تعریف می‌شود که با افزایش آن علاوه بر کاهش ضریب جذب، طول موج جذبی به سمت طول موج‌های پایین‌تر شیفت پیدا می‌کند:

کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری و بالاخره در سال 2013، پیشنهاد داده شد که به جای استفاده از ساختار توری پراش دوتایی، از ساختاری استفاده شود که در آن به جای استفاده از لایه توری پراش دوم از نانو ذرات، استفاده شده است. تشعشعات پلاسمونیک در این NPها باعث بهبود بیشتر ضریب جذب می‌شود. نتایج ارائه شده نشان داد که ضریب جذب نسبت به MSMهای معمولی، 28 برابر و نسبت به MSM با نانوتوری پراش فلزی و روزنه زیر طول موج، 3.5 برابر بهبود یافته است. نانوذرات مورد استفاده، نانو ذرات طلا و نقره می‌باشند که نانوذرات نقره، ضریب جذب بالاتری دارند.