Heterogeneously Integrated GaAsSb/Si Separate Absorption, Charge, and Multiplication (SACM) Photodiodes with Bonded Active Interface
यह शोध पत्र एक उच्च-प्रदर्शन वाले, विषम रूप से एकीकृत (heterogeneously integrated) GaAsSb/Si SACM फोटोडायोड को प्रदर्शित करता है जो मजबूत वाहक इंजेक्शन (carrier injection) प्राप्त करने के लिए इंटरफेशियल परिवहन चुनौतियों पर विजय प्राप्त करता है और 86 का अधिकतम लाभ (gain) प्राप्त करता है, जो सिलिकॉन पर स्केलेबल, उच्च-संवेदनशीलता वाले शॉर्ट-वेव इन्फ्रारेड डिटेक्शन के लिए एक आशाजनक मंच स्थापित करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक रोबोट के लिए एक सुपर-फास्ट, सुपर-सेंसिटिव आँख बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन आप केवल एक ही प्रकार की सामग्री: सिलिकॉन का उपयोग करने के लिए मजबूर हैं। सिलिकॉन कंप्यूटर की दुनिया का सुपरस्टार है; यह सस्ता है, इसे बनाना आसान है, और जानकारी को प्रोसेस करने में अविश्वसनीय रूप से अच्छा है। लेकिन इसकी एक बड़ी कमजोरी है। सिलिकॉन केवल दृश्य प्रकाश (visible light) और थोड़े से इन्फ्रारेड को ही "देख" सकता है, ठीक वैसे ही जैसे हमारी आँखें पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश को नहीं देख सकतीं। एक बार जब प्रकाश बहुत अधिक "लाल" हो जाता है (विशेष रूप से लगभग 1100 नैनोमीटर से आगे), तो सिलिकॉन इसे अनदेखा कर देता है। यह एक समस्या है क्योंकि इंटरनेट, सेल्फ-ड्राइविंग कारों और नाइट-विज़न कैमरों के लिए सबसे महत्वपूर्ण संकेत शॉर्ट-वेव इन्फ्रारेड (SWF) रेंज में चलते हैं, जो लगभग 1550 नैनोमीटर के आसपास होता है। इन संकेतों को देखने के लिए, वैज्ञानिकों को आमतौर पर एक अलग, अधिक विदेशी सामग्री (जैसे III-V सेमीकंडक्टर्स) को इस पर चिपकाना पड़ता है जो इस प्रकाश को अवशोषित कर सके। लेकिन दो अलग-अलग सामग्रियों को एक साथ चिपकाना ऐसा है जैसे कांच के टुकड़े पर रबर के टुकड़े को चिपकाने की कोशिश करना; वे अक्सर आपस में मेल नहीं खाते, जिससे एक ऊबड़-खाबड़, लीकी इंटरफेस बन जाता है जहाँ सिग्नल खो जाता है या गड़बड़ा जाता है। बड़ा सवाल विज्ञान के इस कोने में यह है: क्या हम एक ऐसा डिटेक्टर बना सकते हैं जो दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ उपयोग करे—विदेशी सामग्रियों की प्रकाश पकड़ने की शक्ति और सिलिकॉन की प्रोसेसिंग शक्ति—बिना उस गड़बड़ वाले "गोंद के काम" के जो प्रदर्शन को खराब कर दे?
यह शोध पत्र द ओहायो स्टेट यूनिवर्सिटी की एक टीम द्वारा ठीक इसी समस्या को हल करने के प्रयास की कहानी बताता है, जिन्होंने एक "हाइब्रिड" फोटोडायोड बनाया। एक फोटोडायोड को एक छोटे सौर पैनल के रूप में सोचें जो प्रकाश को बिजली में बदल देता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो एक दो-सदस्यीय रिले टीम की तरह काम करता है। पहला धावक GaAsSb नामक सामग्री की एक परत है, जो 1550 nm इन्फ्रारेड प्रकाश को पकड़ने में माहिर है। दूसरा धावक सिलिकॉन की एक परत है, जो वहां पहुँचने के बाद सिग्नल को बढ़ाने (amplify करने) में उत्कृष्ट है। पेच यह है कि "बैटन" (विद्युत आवेश/electrical charge) को पहले धावक से दूसरे धावक तक बिना गिराए कैसे पहुँचाया जाए।
टीम ने "ट्रांसफर प्रिंटिंग" नामक एक चतुर ट्रिक का उपयोग किया। GaAsSb को सीधे सिलिकॉन पर उगाने की कोशिश करने के बजाय (जो कठिन है क्योंकि उनकी क्रिस्टल संरचनाएं मेल नहीं खातीं), उन्होंने GaAsSb को एक अलग सामग्री पर उगाया, उसे छोटे द्वीपों (islands) में काटा, और फिर उन द्वीपों को सिलिकॉन चिप पर भौतिक रूप से "स्टैम्प" या प्रिंट किया। यह एक बैकअप शीट से स्टिकर निकालकर उसे एक नई सतह पर पूरी तरह से चिपकाने जैसा है।
उन्होंने पाया कि यह हाइब्रिड टीम आश्चर्यजनक रूप से अच्छा काम करती है, भले ही दोनों सामग्रियों के बीच ऑक्साइड की एक बहुत पतली, अदृश्य परत (जैसे एक सूक्ष्म धूल की परत) हो। जब उन्होंने डिवाइस पर 1550 nm लेजर चमकाया, तो GaAsSb ने प्रकाश को पकड़ा और आवेश को सिलिकॉन को सौंप दिया। सिलिकॉन ने फिर एक मेगाफोन की तरह काम किया, सिग्नल को काफी बढ़ा दिया। -20 V के वोल्टेज पर, डिवाइस ने 86 का "गेन" (gain) प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि आउटपुट सिग्नल शुरुआती इनपुट से 86 गुना अधिक मजबूत था। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि डिवाइस की "प्रभावी एक्सटर्नल क्वांटम एफिशिएंसी" (एक फैंसी तरीका यह कहने का कि प्रत्येक पकड़े गए फोटॉन के लिए यह कितने इलेक्ट्रॉन पैदा करता है) 3500% से ऊपर पहुंच गई। संदर्भ के लिए, बिना इस प्रवर्धन (amplification) वाला एक मानक डिटेक्टर शायद केवल 14% प्रकाश ही पकड़ पाता; यह हाइब्रिड डिवाइस, सिलिकॉन एम्पलीफायर की मदद से, ऐसा दिखामा कि इसने वास्तव में पड़ने वाले प्रकाश से 35 गुना अधिक प्रकाश पकड़ा है।
शोधकर्ताओं ने दो सामग्रियों के बीच "हैंडऑफ" ज़ोन का भी बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि हालांकि वहां कुछ दोष (defects) और एक पतली ऑक्साइड परत है, ये खामियां वास्तव में विद्युत क्षेत्र (electric field) लागू होने पर आवेश को गैप के पार जाने में मदद करती हैं। यह ऐसा है जैसे हैंडऑफ ज़ोन के ऊबड़-खाबड़ हिस्से उन स्टेपिंग स्टोन्स (stepping stones) की तरह काम करते हैं जिन पर विद्युत क्षेत्र आवेश को धकेलता है। हालांकि उच्च वोल्टेज पर डिवाइस थोड़ा अधिक "शोर" (static) पैदा करता है, फिर भी यह केवल GaAsSb सामग्री से बने मानक डिटेक्टर की तुलना में बहुत कमजोर संकेतों का पता लगाने में सक्षम है।
संक्षेप में, यह पेपर सुझाव देता है कि ट्रांसफर प्रिंटिंग का उपयोग करके सिलिकॉन एम्पलीफायर पर एक GaAsSb लाइट-कैचर को चिपकाकर, हम इन्फ्रारेड प्रकाश के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील डिटेक्टर बना सकते हैं। डिवाइस सफलतापूर्वक दो अलग-अलग सामग्रियों के बीच के अंतर को पाटता है, यह साबित करता है कि बीच में थोड़ी सी "धूल" (ऑक्साइड) होने के बावजूद, आवेश कुशलतापूर्वक गैप को पार कर सकता है। यह उच्च-प्रदर्शन वाले इन्फ्रारेड कैमरों और सेंसरों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है जिन्हें सीधे उन्हीं सिलिकॉन चिप्स पर बनाया जा सकता है जिनका उपयोग हमारे कंप्यूटरों और फोन में किया जाता है, जिससे वे संभावित रूप से सस्ते और अधिक शक्तिशाली बन सकते हैं। लेखक नोट करते हैं कि हालांकि डार्क करंट (लीकेज) कुछ अन्य प्रयोगात्मक उपकरणों की तुलना में थोड़ा अधिक है, सिग्नल की ताकत और संवेदनशीलता में भारी उछाल इसे भविष्य की तकनीक के लिए एक बहुत ही आशाजनक रास्ता बनाता है।
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