Enhanced Near-Infrared Sensitivity and Extended Detection Wavelength in Silicon Phototransistors Using a Backside Aluminum Reflector

सिलिकॉन आधुनिक दुनिया का एक शांत कार्यबल है, जो हमारी जेबों में मौजूद कंप्यूटरों और स्मार्टफोन की रीढ़ बनाता है। यह एक ऐसा पदार्थ है जो तब बिजली का संचालन करना पसंद करता है जब हम चाहते हैं, लेकिन प्रकाश के मामले में इसकी एक विशिष्ट सीमा है। सिलिकॉन दृश्य प्रकाश (visible light) और निकट-अवरक्त (near-infrared) प्रकाश को पकड़ने में उत्कृष्ट है जो हमारी आँखों द्वारा देखे जाने वाले लाल किनारे के ठीक परे स्थित है। हालाँकि, जैसे-जैसे प्रकाश तरंगें लंबी होती जाती हैं और इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम में गहराई तक जाती हैं, सिलिकॉन तेजी से पारदर्शी होता जाता है। इन लंबी तरंगों को अवशोषित करके एक विद्युत संकेत बनाने के बजाय, प्रकाश सीधे सामग्री के माध्यम से गुजर जाता है, जैसे किसी साफ खिड़की से धूप गुजरती है। इस भौतिक बाधा ने लंबे समय से सिलिकॉन-आधारित सेंसरों को पूर्ण इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम को देखने से रोका है, जिससे इंजीनियरों को उन अनुप्रयोगों के लिए अधिक महंगे और जटिल पदार्थों का उपयोग करने के लिए मजबूर होना पड़ा है जिनमें इन मंद, लंबी-तरंग दैर्ध्य संकेतों का पता लगाने की आवश्यकता होती है।

दक्षिण कोरिया के चुंगबुक नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने बिना सिलिकॉन को बदले या किसी नए विदेशी पदार्थ का उपयोग किए, इस पारदर्शिता को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक मानक सिलिकॉन फोटोट्रांजिस्टर के पीछे एक सरल, चतुर संशोधन पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश को विद्युत धारा में परिवर्तित करता है। चिप के पीछे एल्युमीनियम की एक पतली परत जोड़कर, उन्होंने एक दर्पण बनाया जो प्रकाश को सामग्री के भीतर वापस उछालता है। इस एकल जुड़ाव ने उपकरण को 1300 नैनोमीटर तक की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश का पता लगाने में सक्षम बनाया, जो एक ऐसा रेंज है जहाँ सिलिकॉन आमतौर पर प्रकाश को गुजर जाने देता है। इसका परिणाम यह है कि यह सेंसर न केवल गहरे इन्फ्रारेड को देखने में सक्षम है, बल्कि यह अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में काफी अधिक संवेदनशील और शांत भी है, और यह सब मौजूदा इलेक्ट्रॉनिक्स में हमारे रोजमर्रा के चिप्स बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली मानक विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ संगत रहते हुए किया गया है।

टीम ने एक मानक सिलिकॉन वेफर से शुरुआत की, जो सामग्री का एक पतला स्लाइस है जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बनाने के लिए किया जाता है। उन्होंने इस वेफर पर एक फोटोट्रांजिस्टर का निर्माण किया, जो एक ऐसा उपकरण है जिसे प्रकाश पड़ने पर करंट उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक विशिष्ट सेटअप में, प्रकाश ऊपर से प्रवेश करता है, एक गेट से गुजरता है, और सिलिकॉन से टकराता है। यदि प्रकाश की तरंग बहुत लंबी है, तो वह पूरे सिलिकॉन से होकर नीचे से बाहर निकल जाता है और कभी भी प्रतिक्रिया को ट्रिगर नहीं कर पाता। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन वेफर के बिल्कुल पीछे 100-नैनोमीटर मोटी एल्युमीनियम की परत जमा की। यह एल्युमीनियम परत एक परावर्तक (reflector) के रूप में कार्य करती है। जब निकट-अथ्रारेड प्रकाश का एक फोटॉन सिलिकॉन में प्रवेश करता है और पहली बार में अवशोषित होने में विफल रहता है, तो वह सिलिकॉन वेफर के निचले हिस्से में एल्युमीनियम दर्पण से टकराता है और वापस ऊपर की ओर परावर्तित होता है। यह प्रकाश को एक दूसरा मौका देता है कि वह अवशोषित हो सके, प्रभावी रूप से इसे सामग्री के भीतर फंसा देता है और एक विद्युत संकेत उत्पन्न करने की संभावना को बढ़ा देता है।

इस सरल दर्पण का प्रभाव तत्काल और नाटकीय था। जब शोधकर्ताओं ने उपकरणों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि एल्युमीनियम परावर्तक वाले संस्करण में 1300 नैनोमीटर तक की तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश का पता लगाया जा सकता था, जबकि दर्पण के बिना वाला उपकरण 1200 नैनोमीटर के आसपास प्रभावी ढंग से प्रतिक्रिया देना बंद कर देता था। 900 और 1100 नैनोमीटर के बीच की रेंज में, नए उपकरण की संवेदनशीलता पुराने वाले की तुलना में बारह गुना से अधिक बढ़ गई। 1300 नैनोमीटर के चरम किनारे पर, जहाँ सिलिकॉन लगभग पूरी तरह से पारदर्शी होता है, सुधार और भी आश्चर्यजनक था, जहाँ उपकरण लगभग छब्बीस गुना अधिक प्रतिक्रियाशील हो गया। इसका अर्थ है कि वह प्रकाश जो पहले खो जाता था, अब पकड़ा जा रहा है और एक उपयोगी संकेत में परिवर्तित किया जा रहा है।

केवल आगे देखने के अलावा, नया डिज़ाइन बहुत अधिक शांत भी हो गया। इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों में, "शोर" (noise) अक्सर एक छोटी, अवांछित धारा से आता है जो प्रकाश की अनुपस्थिति में भी बहती है, जिसे डार्क करंट (dark current) कहा जाता है। यह बैकग्राउंड शोर मंद संकेतों को दबा सकता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि एल्युमीनियम परावर्तक जोड़ने से इस डार्क करंट में चालीस छह गुना की कमी आई, जो इसे 2.5 × 10⁻¹⁰ एम्पियर से घटाकर 5.4 × 10⁻¹² एम्पियर कर दिया। यह कमी महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सेंसर को बैकग्राउंड स्टैटिक से एक वास्तविक संकेत को बहुत अधिक स्पष्टता के साथ अलग करने की अनुमति देती है। उल्लेखनीय रूप से, यह संवेदनशीलता और शोर में सुधार उपकरण के सामान्य प्रदर्शन की कीमत पर नहीं आया; जब डिवाइस चालू होता है तो बहने वाला करंट मजबूत और सुसंगत बना रहा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि दर्पण ने विद्युत प्रवाह को बाधित किए बिना प्रकाश कैप्चर करने की क्षमता में सुधार किया।

यह समझने के लिए कि यह वास्तव में कैसे काम करता है, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन के भीतर प्रकाश के पथ को देखने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन मॉडलों ने दिखाया कि दर्पण के बिना, प्रकाश की एक बड़ी मात्रा बस सिलिकॉन से गुजर जाती है और नष्ट हो जाती है। एल्युमीनियम परावर्तक के होने से, सिमुलेशन ने खुलासा किया कि प्रकाश अंदर ही अंदर उछल रहा था, और सिलिकॉन परत के भीतर लंबे समय तक फंसा हुआ था। इस मल्टी-पास प्रभाव का अर्थ था कि भले ही उन तरंग दैर्ध्य पर जहाँ सिलिकॉन स्वाभाविक रूप से प्रकाश को अवशोषित करने में कमजोर होता है, फोटॉन के पास सामग्री के साथ बातचीत करने और बिजली उत्पन्न करने के कई अवसर थे। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि एल्युमीनियम की परत सफलतापूर्वक सिलिकॉन के भीतर ऑप्टिकल पावर को केंद्रित कर रही थी, विशेष रूप से उन लंबी तरंग दैर्ध्य पर जहाँ सामग्री आमतौर पर पारदर्शी होती है।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक सीधा, लागत प्रभावी संशोधन सिलिकॉन-आधारित सेंसरों की क्षमताओं को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ा सकता है। चिप के पीछे एक परावर्तक परत जोड़कर, शोधकर्ता सिलिकॉन फोटोट्रांजिस्टरों की पहचान सीमा को उस रेंज तक धकेलने में सक्षम रहे जो पहले कठिन थी। इस दृष्टिकोण के लिए जटिल नैनोस्ट्रक्चर या महंगे नए पदार्थों की आवश्यकता नहीं है, जो इसे निकट-अवथारेड सेंसिंग को बेहतर बनाने के लिए एक व्यावहारिक समाधान बनाता है। निष्कर्ष बताते हैं कि इस सरल ऑप्टिकल ट्रिक के साथ, सिलिकॉन को और अधिक दूर और स्पष्ट रूप से देखने के लिए बनाया जा सकता है, जो अधिक संवेदनशील और बहुमुखी सेंसरों की ओर एक मार्ग प्रदान करता है जिन्हें उन्हीं विनिर्माण लाइनों का उपयोग करके बनाया जा सकता है जो हमारे वर्तमान तकनीक के चिप्स बनाती हैं।