برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۲,۵۹۶
  • بازدید این ماه ۱۴۰
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۷۵
  • قبول شدگان ۱۴۷
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

آشنایی با آشکارسازهای نوری فلز-نیمه­ هادی-فلز پلاسمونیک

آشکارسازهای نوری بخش مهمی از مدارات مجتمع نوری هستند.آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز یک دسته از آشکارسازهای نوری می باشد. مشخصات این آشکارسازها با پیشرفت علم پلاسمونیک بهبود یافت. از جمله این مشخصات می توان به حساسیت بالاتر، راندمان بیشتر و بهبود ضریب جذب نوری بالاتر اشاره کرد.در این ساختارها با استفاده از توری های پراش فلزی و نانوذرات سعی شده است تا پارامترهای آشکارساز بهینه گردد.علم پلاسمونیک بستر مناسبی را برای ساخت آشکارسازهایی با ابعاد بسیار کوچک فراهم کرد، این موضوع روند حرکت به سمت مدارات مجتمع نوری را سرعت بخشیده است.در این مقاله به معرفی آشکارسازهای نوری در کاربردهای نوری پرداخته می شود. همچنین، روند تکاملی آشکارسازهای فلز-نیمه هادی-فلز پلاسمونیک مورد بررسی قرار گرفته است.
امروزه کاربردهای شبکه های انتقال داده مانند اینترنت و ارتباطات تلفنی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. به طور سنتی، لینک ارتباطی در اینگونه شبکه ها سیم مسی است و الکترون های آزاد آن، حامل های پیام می باشند.به علت محدودیت پهنای باند برای حجم داده های بیشتر و همچنین تلفات زیاد سیم های مسی، توجه مهندسان مخابرات به استفاده از فیبرهای نوری به عنوان لینک ارتباطی و فوتون های نور به عنوان حامل پیام، جلب شد.فوتون ها کوچکترین بسته های انرژی تشکیل دهنده ماهیت ذره ای نور هستند و مطابق شکل1، فیبر نوری از یک استوانه شیشه ای با قطربسیار کوچک (در حد چند تا چند ده میکرون) تشکیل شده است. نور ورودی با زاویه ای به درون آن تابانده می شود به طوری که بازتاب کلی رخ داده و نور درون آن محبوس بماند.

filereader.php?p1=main_14dba61b399baabd2
شکل 1- بازتاب کلی در فیبر نوری باعث می شود تا نور در حین انتشار در فیبر از آن خارج نشود.

شکل 2، لینک تلفنی معمولی با کابل مسی و همتای آن با فیبر نوری را نشان می دهد. همانطور که در شکل دیده می شود، 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.


filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 2- الف) لینک ساده معمولی، ب) لینک نوری.

یک آشکارساز نوری به طور ساده از پیوند دو نیمه هادی با آلایش نوع( P(Positive(دارای حفره¬های اضافی با بار مثبت) و نوع( N (Negative (دارای الکترون های اضافی با بار منفی)،تشکیل شده است (یک دیود) که به طور معکوس بایاس شده است.در این صورت در محل پیوند دو نیمه هادی یک سد پتانسیل ایجاد شده که مانع از عبور الکترون و جاری شدن جریان الکتریکی در مدار می گردد؛ شکل (3). حال اگر نور به محل پیوند P-Nبرخورد کند بعضی از پیوندها را شکسته و تولید زوج الکترون حفره می کند که به ترتیب جذب قطب مثبت و منفی منبع تغذیه می شوند.در نتیجه در مدار متناسب با نور برخوردی جریان الکتریکی تولید می شود و تبدیل نور به سیگنال الکتریکی (آشکارسازی نوری) انجام می گیرد.

filereader.php?p1=main_a0b92bf7cb132fa05
شکل 3-  الف) یک دیود P-N بایاس شده به طور معکوس، ب) سد پتانسیل ایجاد شده مانع از حرکت بارها می شود.

یک دیود را می توان به جای استفاده از دو نیمه هادی نوع N و P، از اتصال یک نیمه هادی خالص (ذاتی)بدون آلایش (دارای الکترون و حفره اضافی برابر و خنثی) 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 می شود (تابع کار عبارتست از مقدار انرژی مورد نیاز برای آزاد کردن یک الکترون از سطح ماده).

2-آشکارساز نوری
آشکارساز نوریِ فلز نیمه هادی-فلز، Metal-Semiconductor-Metal PhotoDetector (MSM-PD)، دارای دو اتصال شاتکی پشت به پشت است. این آشکارساز مطابق شکل 4، از یک زیرلایه (نیمه هادی) خالص به عنوان لایه فعال و دو اتصال فلزی رونشانی شده بر روی آن تشکیل می شود که هر اتصال فلزی بازیرلایه تشکیل یک اتصال شاتکی را می دهد.این اتصالات به یک اختلاف پتانسیل متصل می-شوند تا حامل های ایجاد شده بر اثر برخورد نور به زیرلایه را جمع آوری کنند.

filereader.php?p1=main_bad5b4036fffbd72b
شکل 4-  شمای ساده از یک MSM-PD متشکل از دو اتصال فلزی که با زیرلایه تشکیل دو پیوند شاتکی پشت به پشت می دهند.

عنوان : آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD)

توضیحات : آشکارساز نوری فلز-نیمه هادی-فلز(MSM-PD) از یک زیرلایه نیمه هادی و دو اتصال فلزی رونشانی شده، تشکیل شده است که هر اتصال فلزی با زیرلایه فعال نیمه هادی،یک اتصال شاتکی را تشکیل می دهد. با وصل شده این اتصالات به اختلاف پتانسیل، حامل های ایجاد شده در اثر برخورد نور به زیرلایه جمع آوری می شوند.یکی از انواع این آشکارسازهای نوری، آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD) هستند که سیگنال های الکترونیکی را از کوانتوم های نوری منفرد تولید می کنند و از نظر حساسیت، سرعت و کارایی بهتر از آشکارسازهای نوری معمولی عمل می کنند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای 1 :آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD)

مطالعه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی-فلز (MSM-PD)، از اوایل دهه ی 1970 آغازشد[1]. طی دهه¬های گذشته، طراحی و ساخت آشکارسازهای MSMبه دلیل سرعت بالا، در سیستم های الکترونیکی-نوری مجتمع (مداراتی که به صورت یکجا در درون یک تراشه جای داده می شوند و در آنها از الکترون فوتون به عنوان حامل اطلاعات استفاده می شود)، مخابرات فیبر نوری، اتصالات بین تراشه ای و نمونه برداری با نرخ بالا (تبدیل سیگنال های پیوسته به سیگنال های گسسته) مورد توجه بوده است [2 و3] به دلیل خازن داخلی با ظرفیت بسیار پایین MSM-PD ها، سرعت پاسخ آنها معمولاً در حد چند ده پیکوثانیه است[3]. سرعت پاسخ، زمان از لحظه برخورد نور به آشکارساز تا ایجاد سیگنال الکتریکی توسط آشکارساز می باشد. با توجه به ماده نیمه هادی 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) می توان از InGaAs-InP استفاده کرد[2].

عنوان : آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD) ابر رسانا

توضیحات : آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD) ابر رسانا، شامل نوار بسیار نازک(زیرمیکرونی) نیترید نیوبیوم است که رفتار ابررسانایی از خود نشان می دهد. مکانیزم آشکارسازی در این دتکتور، براساس جریان بالا با کمک تشکیل موقت سد مقاومتی در عرض پل می باشد که منجر به تولید فوتون القا شده می شود. زمان تفکیک پذیری در حدود 30پیکوثانیه می باشد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای2 :آشکارساز نوری تک فوتونی(SPD) ابر رسانا

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، شانه ای کردن الکترودهای MSM، باعث افزایش پهنای باند نسبت به آشکارسازهای PINاستاندارد (دیودی که در آن مابین دو لایه نیمه هادی N وP یک لایه نیمه-هادی خالص قرار داده می شود) می شود[2 و3].یکی از محدودیت های افزایش سرعت MSM ها، زمان لازم برای حرکت بارهای بوجود آمده دراثر برخورد نور با لایه فعال، تا رسیدن به الکترودها می باشد. برای غلبه بر محدودیت ذاتی زمان پاسخ، می-توان فاصله بین الکترودهای شانه ای را کاهش داد. همچنین با کاهش پهنای الکترودها، خازن بر واحد پهنای الکترودها کم شده و در نتیجه زمان پاسخ بهبود می یابد[4]. برای استفاده از MSM-PD ها در مدارات مجتمع نوری نیز لازم است تا ابعاد آنها بسیار کوچک باشند. اما از طرفی کاهش فاصله بین الکترودها و ابعاد آشکارساز، باعث کاهش ناحیه موثر فعال جذب نور (قسمتی از زیرلایه که در معرض برخورد مستقیم نور ورودی است) می شود و در نتیجه حساسیت آشکارساز را بدتر می کند[5].بنابراین روند افزایش سرعت پاسخو کوچک سازی MSM-PD ها با یک بهینه سازی بین این پارامترها و حساسیت مواجه می شود.یک راهکار مناسب ، استفاده از ساختارهای MSM-PD های پلاسمونیک است.در MSM-PD هایی با اتصالات فلزی در حد نانو، برخورد نور با فلز باعث تحریک پلاسمون های سطحی، Surface Plasmon (SP)، در فلز می شود. این پلاسمون ها باعث می شوند حتی با وجود فاصله بسیار کم بین الکترودها (در حد چند ده تا چند صد نانومتر) جذب نور و در نتیجه حساسیت بالا رود.

filereader.php?p1=main_a27f0be5130d9537b

شکل 5- شمای ساده یک MSM-PD با الکترودهای فلزی شانه ای

پلاسمون های سطحی (SP)، امواج الکترومغناطیسی هستند که در طول مرز یک هادی منتشر می شوند. خواص بر هم کنش SPها با نور، باعث ایجاد امواج پلاسمون پلاریتون های سطحی، Sufrace Plasmon-Polariton (SPP)می شود. SPP ها ویژگی هایی را ایجاد می کنند که بوسیله آن می توان قطعات فوتونیکی با ابعاد بسیار کوچک تر از آنچه که تاکنون به دست آمده است، ساخت[.6]SP ها در اپتیک زیر طول موج، ذخیره¬سازی داده، تولید نور، میکروسکوپ ها و ادوات فوتونیکی زیستی کاربرد دارند. وجود تکنولوژی ساخت و مشخصه سازی فلزهایی با ساختار نانو، باعث افزایش علاقه به SPها شد [7] مطالعه و شناخت در مورد SPها، به طور گسترده ای در دهه ی 1950 بعد از مقاله ریچه(Ritchie) شروع شد. همچنین مطالعاتی در مورد تشدیدهای پلاسمون سطحی در فیلم های فلزی نازک و پراش نوری از ذرات فلزی نانو در اوایل دهه ی 1970 انجام شد. مشاهده انتقال بهبود یافته نور از میان آرایه ای متناوب از حفره هایی با ابعاد کمتر از طول موج در فیلم  های فلزی توجه زیادی را به SP ها جلب کرد[8]. امروزه تحقیقات در زمینه پلاسمونیک، بر روی مجتمع سازی قطعات پلاسمونیک برای کاربردهای مخابرات نوری و تبادل داده متمرکز شده است[9]. ایجاد چنین زمینه ای، حاصل بررسی قطعات پلاسمونیک جدیدی است که در طی سال های اخیر توسعه داده شده اند. بنابراین، موجبرها، تزویح کننده¬ها (coupler)، و مدولاتورهای نوری (Optical Modulator)، به همراه منابع نوری و آشکارسازهای نوری، موضوع اصلی زمینه پلاسمونیک امروزی را تشکیل می دهند.

3-کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری
امروزه، پلاسمونیک در زمینه های مختلفِ ادوات نوری و الکترونیکی کاربردهای گسترده ای دارد. به عنوان مثال می توان از کاربرد پلاسمونیک در سلول های خورشیدی، موجبرها، ادوات ذخیره سازی اطلاعات، تولید نور (لیزرها و LEDها) و همچنین در کاربردهای پزشکینام برد. یکی از زمینه های کاربرد پلاسمونیک، ساخت آشکارسازهای نوری با راندمان و سرعت بالا است. در این قسمت به بررسی چند نمونه از کارهای انجام شده در زمینه کاربرد پلاسمونیک در آشکارسازهای نوری پرداخته می شود.
در سال 2004 نشان داده شد که با قرار دادن یک لایه نیمه هادی جاذب نور در حد نانو، بین دو الکترود با فاصله کم، می توان به یک آشکارساز MSM با راندمان بیش از 50% و فرکانس قطع بزرگتر از 300 GHz دست یافت. ساختار استفاده شده مانند شکل6، است. در این ساختار، از رشته های نیمه هادی در حد نانو بین رشته های فلزی با سطح مقطع کوچکتر از λ/8 استفاده شده است. طول متوسط حرکت آزاد بارها 50nm است و همچنین سطح مقطع رشته ها 40×100nm می باشد. نوسانات SPP بین توری پراش (صفحات متناوب در راستای انتشار موج) فلزی بالایی و پایینی ساختار که برای این نوسانات به صورت آیینه عمل می کند، به دام افتاده و باعث می شوند تا بیشترین انرژی در نزدیکی روزنه ها متمرکز شود. نتایج به دست آمده نشان داد که با ساختار شکل 6، می توان به صورت تئوری، به راندمان 75% و فرکانس قطع 500 GHz دست یافت. این ساختار برای طول موج 800nm طراحی شده است[10].

filereader.php?p1=main_1174a169ccec8a383
شکل 6- ساختار استفاده شد توسط کالین (Collin).

در سال 2006، از خاصیت پلاسمون های سطحی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز نوری در فرکانس های مادون قرمز میانی، از طریق بهبود جذب، استفاده شد. شکل(7) ساختار استفاده شده را نشان می دهد. این آشکارساز شامل یک روزنه، در یک ورقه فلزی است که با ماده نیمه هادی جذب کننده نور پر شده است. جذب نور در روزنه، بوسیله تشدیدهای Fabry-Perot بهبود داده می شود و بهبود بیشتر، بوسیله ایجاد شیارهای پریودیک اطراف روزنه انجام می گیرد که با تحریک SPها، انرژی الکترومغناطیسی به سمت روزنه منتقل می شود

filereader.php?p1=main_ed12b36e4434c83b7
شکل 7- ساختار آشکارساز نوری برای فرکانس های مادون قرمز میانی. این ساختار از یک روزنه در ورقه فلزی تشکیل شده است، که این ورقه فلزی حاوی شکاف هایی برای تحریک پلاسمون های سطحی ایجاد شده،می باشد.

این آشکارساز برای طول موج 9.8µm طراحی شده است و ابعاد روزنه ها و توری پراش فلزی و همچنین تعداد توری ها به گونه ای انتخاب شده است که در طول موج 980nm تشدید Fabry-Perot و تحریک SP با هم ایجاد شوند. نتایج نشان می دهد که با ساختار ارائه شده، تا 250 برابر بهبود جذب در واحد حجم ماده نیمه هادی، نسبت به آشکارسازهای متداول در طول موج مشابه، حاصل شده است. در شکل 7، زیرلایه شامل یک ماده اکسید با شاخص کم (ε=2.25) است که روی آن ورقه ای از طلا رونشانی شده است.
ماده نیمه هادی که روزنه ساختار شکل 7 را پر می کند، HgCdTe است. طول ورقه طلا بی نهایت فرض شده است اما تعداد شکاف های روی آن محدود است. نتایج شبیه سازی ساختار شکل 7 به ازای پارامترهای مختلفدر شکل 8، نشان داده شده است. در شکل 8 الف، دو پیک مشاهده می شود که نشان می دهد تحریک پلاسمون های سطحی و تشدید Fabry-Perot با هم و در یک فرکانس رخ نمی دهد. در شکل 8 ب پارامترها طوری بهینه شده اند که این دو در یک طول موج، همزمان رخ داده و در نتیجه میزان جذب نور بیشتر می شود. پارامتر Ng تعداد شکاف های موجود در ورقه طلا را نشان می دهد[11].
در سال 2007، یک طراحی بهینه برای MSM-PD هایی با الکترودهای شانه¬ای با ابعاد زیر طول موج ارائه داده شد که در آن از یک چاه کوانتومی ( (QW) Quantum Well)GaInNAs تنها، به عنوان لایه جذب کننده استفاده شد[5]شکل 9 ساختار ارائه شده را نشان می دهد. تحریک SP ها در مرز نیمه هادی و فلز، باعث بهبود قدرت میدان در نزدیکی الکترودها شده و به تبعِ آن باعث افزایش جذب درQW می شود. این موضوع سبب می شود تا هم پاسخ الکتریکی سریع ترو هم راندمان کوانتومی بالاتری به دست آید. در این ساختار با تناوب توری پراش820nm و پهنای الکترود 460nm،جذب نور با پلاریزاسیون صفحه ای (P- Polarized) در QW، نسبت به حالتی که الکترودی وجود ندارد، تا 16 برابر افزایش می یابد.(شکل 10-الف).

filereader.php?p1=main_38b628bd57a2d715a
شکل 8-  نمودار جذب آشکارساز بر حسب طول موج الف)α=7.15µm, L=1.0µm, w=50nm, b=0.5µm, d=0.425µm, Ng=15. ب)L=1.0µm, w=50nmNg=15, α=9.8µm و .d=0.6µm

filereader.php?p1=main_230ee1d539e04512a
شکل 9- ساختار MSM-PDارائه شده توسط هتریچ (Hetterich) که در آن از تحریک¬های SP برای بهبود جذب، استفاده شده است.


این موضوع، نشان می دهد که وجود الکترودها نه تنها مانعی برای جذب نور در نیمه هادی نیست، بلکه با استفاده از خاصیت SP باعث بهبودِ جذب نیز می شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش عرض الکترودها (W) (کاهش فاصله بین آنها (d))، پیک جذب در QW به سمت انرژی های پایین تر شیفت پیدا می کند (شکل 10-ب). بیشترین جذب برای عرض 460nm رخ داده است که معادل با طول موج جذبی 1030nm است.

filereader.php?p1=main_b5496539635d95049
شکل 10- نتایج شبیه سازی ساختار MSM پلاسمونیک بهینه شده. الف. بهبود 16 برابری ضریب جذب. ب. شیفت در پیک جذب به ازای پهناهای مختلف الکترودها.

در سال 2008، یک ساختار توری پراش دایره ای برای بهبود نسبت سیگنال به نویز یک آشکارساز مادون قرمز، پیشنهاد داده شد[12]. شبیه سازی ها نشان داد که نسبت سیگنال به نویز در این ساختار تا 5.2 برابر بهبود می یاید، در حالیکه برای توری پراش خطی حداکثر 1.7 برابر بهبود حاصل می شود. ضریب جذب در ساختار توری پراش دایره ای، 400 برابر نسبت به حالت بدون توری پراش بیشتر شده است.
در سال 2010، یک ساختار آشکارساز MSM باتوری پراش فلزی مانند شکل 11 پیشنهاد داده شد [13]. تشعشعات SPP بوجود آمده در مرز نیمه های و فلز توری پراش شده، باعث می شود تا ضریب جذب نسبت به MSM هایی با روزنه زیر طول موج و بدون توری پراش فلزی، 16 برابر بهبودپیدا کند. عوامل موثر در ضریب جذب عبارتند از: تعداد توری پراش، دوره تناوب توری پراش، پهنا و ارتفاع روزنه و ارتفاع توری پراش ها. نتایج ارائه شده نشان داد که هرچه ارتفاع و ضخامت روزنه کمتر شود ضریب جذب بیشتر می شود. همچنین، تغییرات پهنای اولین توری پراش فلزی علاوه بر تاثیر بر ضریب جذب، باعث شیفت در طول موجِ پیکِ جذب می شود.

filereader.php?p1=main_a3e692ea68c5a13c9
شکل 11- ساختار ارائه شده توسط تن (Tan).

جدول 1، مقادیر بهینه شده برای ساختار شکل 11 را در طول موج 980nm نشان می دهد. همچنین نشان داده شد که تاثیر توری پراش فلزی بر روی ضریب جذب به ازای تعداد توری پراش های بیشتر از 5 عدد (Ng > 5)، اشباع می شود.

جدول1-مقادیر بهینه شده برای شکل 11.

پارامترمقدار بهینه شده برای طول موج 980nm
hgارتفاع توری پراش فلزی100nm
Xdپهنای روزنه50nm
Lارتفاع روزنه100nm
Xmتوری پراش فلزی300nm
Ngتعداد توری پراش5

نسبت بهبود ضریب جذب16 برابر


برای بهبود بیشتر ضریب جذب، درسال 2010، یک ساختار MSM پلاسمونیک با دولایه توری پراش مانند شکل 12، بر پایه ساختار شکل 11، پیشنهاد داده شد[14]. 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. جدول (2)، مقادیر بهینه شده ساختار شکل (12) را برای طول موج 980nm نشان می دهد.
در سال 2011، تاثیر شیفت فاز اولین توری پراش و ذوزنفه ای بودن توری پراش فلزی، در ساختاری مانند شکل 13، به صورت تئوری و عملی بررسی شد و نشان داده شد که در عمل، شکل توری پراش ها به جای مستطیلی بودن، ذوزنقه ای است. نتیجه افزایش شیفت فاز و ذوزنقه ای بودن توری پراش ها، کاهش ضریب جذب آشکارساز MSM است. شیفت فاز به صورت رابطه (1) تعریف می شود که با افزایش آن علاوه بر کاهش ضریب جذب، طول موج جذبی به سمت طول موج های پایین تر شیفت پیدا می کند[15]:

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

filereader.php?p1=main_a2fa17de76051e958
شکل 12- ساختار توری پراش دوتایی ارائه شده توسط تن (Tan).



جدول 2-مقادیر بهینه شده برای ساختار شکل 12.

پارامترمقدار بهینه شده برای طول موج 980nm
Xmpچرخه ی وظیفه توری پراش بالایی0.5
Xmپهنای اولین توری پراش بالایی300nm
Xdپهنای روزنه زیر طول موج50nm
Xbmpچرخه ی وظیفه توری پراش پایینی0.5
Xbdpپهنای اولین توری پراش پایینی50nm
hgارتفاع توری پراش بالایی60nm
Lارتفاع روزنه زیر طول موج100nm
hارتفاع توری پراش پایینی60nm
Λتناوب توری پراش بالایی950nm
Λbتناوب توری پراش پایینی200nm



filereader.php?p1=main_09385a3eab132e388
شکل 13- ساختار مورد بررسی توسط داس (Dass).

و بالاخره در سال 2013، پیشنهاد داده شد که به جای استفاده از ساختار توری پراش دوتایی، از یک ساختار مشابه با شکل 14 استفاده شود که در آن به جای استفاده از لایه توری پراش دوم از نانو ذرات (NP) Nano Particle)، استفاده شده است[16].تشعشعات پلاسمونیک در این NPها باعث بهبود بیشتر ضریب جذب می شود. 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 می باشند که نانوذرات نقره،ضریب جذب بالاتری دارند.

filereader.php?p1=main_2760c79001bf5c5a3
شکل14-  ساختار MSM پلاسمونیک با یک لایه توری پراش فلزی، روزنه زیر طول موج و نانو ذرات.


4-نتیجه
امروزه ساختار آشکارسازهای نوری فلز-نیمه هادی- فلز، به دلیل راندمان بالاتر و فرآیند ساخت ساده تر و همچنین پهنای باند بیشتر نسبت به آشکارسازهای نوری متداول، توجه زیادی را در زمینه مخابرات نوری و مدارات مجتمع نوری به خود جلب کرده است. یکی از محدودیت های افزایش سرعت پاسخ و کاهش ابعادMSM-PDها، بهینه سازی بین سرعت پاسخ و حساسیت است. در سال های اخیر با استفاده از علم پلاسمونیک، ساختارهای MSM-PD های جدیدی ارائه شده¬اند. به طور کلی این آشکارسازها از سه جزء: زیرلایه جاذب نور، توری پراش فلزی و روزنه زیرِ طول موج تشکیل می شوند. ساختارهای MSM-PD های پلاسمونیک، نسبت به MSM-PD های معمولی، یعنی MSM-PD هایی بدون توری پراش فلزی و روزنه زیر طول موج، تا چند ده برابر افزایش ضریب جذب نور در لایه فعال را دارند در حالی که روزنه عبور نور در این ساختارها دارای پهنایی در حدود چند ده تا صد نانومتر است. ابعاد بسیار کوچک MSM-PD های پلاسمونیک، یکی از بخش های مهم برای دستیابی به مدارات مجتمع نوری است.

منابـــع و مراجــــع

1.[2] Soole, J. B. D., and Schumacher, H., “InGaAs metal-semiconductor-metal photodetectors for longwavelength optical communications,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 27, no. 3, pp. 737-752, 1991.

2.[3] Ito, M. and Wada, O., “Low dark current GaAs metal-semiconductor- metal (MSM) photodiodes using WSi, contacts,” IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-22, pp. 1073-1077, 1986.

3.[4] Chou, S. Y., and Liu, M. Y., “NanoscaleTera-Hertz Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 28, no.10, 1992.

4.[5] Hetterich, J., Bstian, Gippius, G., N. A., Tikhodeev, S. G., Plessen, G. von, and Lemmer, U., “Optimized Design of Plasmonic MSM Photodetector,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 43, no. 10, pp. 855-859, 2007

5.[1] Sze, S. M., Coleman Jr., D. I., and Loya, A., “Current transport in metal-semiconductor-metal (MSM) structures,” Solid-state Electron., vol. 14, pp. 1209-1218, 1971.

6.[6] Hecht, B., Bielefeldt, H., Novotny, L., Inouye, Y., and Pohl, D. W., “Local excitation, scattering, and interference of surface plasmons,” Physical Review Letters, vol. 77, pp. 1889-1892, 1996.

7.[7] Barnes, W. L., Dereux, A., and Ebbesen, T. W., “Surface plasmonsubwavelength optics,” Nature, vol. 424, pp. 824-830, 2003.

8.[8] Ebbesen, T. W., Lezec H. J., Ghaemi, H. F., Thio, T., and Wolff, P. A., “Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays,” Nature, vol. 391, pp. 667-669, 1998.

9.[9] Yang, R., and Lu, Z., “SubwavelengthPlasmonic Waveguides and Plasmonic Materials,” International Journal of Optics, vol. 2012 (258013), 2012.

10.[10] Collin, S., Pardo, F., Teissier, R., and Pelourad, J., “Efficient light absorption in metal-semiconductor-metal nanostructures,” Applied Physics Letters, vol. 85, no. 2, pp. 194-196, 2004.

11.[11] Yu, Z., Veronis, G., and Fan, S., “Design of midinfraredphotodetectors enhanced by surface plasmons on grating structures,” Applied Physics Letters 89 (15), 151116, 2006.

12.[12] Bhat, R. D. R., Panoiu, N. C., Brueck, S. R. J., and Osgood, R. M., “Enhancing the signal-to-noise ratio of an infrared photodetector with a circular metal grating,”Optics Express, vol.16, no.7, pp 4588-4596, 2008.

13.[13] Tan, C. L., Lysk, V. V., Alameh, K., Lee, Y. T., “Absorption enhancement of 980 nm MSM photodetector with plasmonic grating structure,” Optics Communications 283 (2010), 1763-1767.

14.[14] Tan, C. L., Lysak, V. V., Das, N., Karaar, A., Alameh, K., Lee, Y. T., “Absorption enhancement of MSM Photodetector structure with a Plasmonic Double Geating Structure,” in 2010 10th IEEE Conference in Nanotechnology (IEEE-NANO) (IEEE,2010), pp. 489-853.

15.[15] Das, N., Karar, A., Tan, C. L., Alameh, K., and Lee, Y. T., “Impact of Nanograting Phase-Shift on Light Absorption Enhancement in Plasmonics-Based Metal-Semiconductor-Metal Photodetectors,” Advances in Optical Technologies, vol. 2011 (504530).

16.[16] Tan, C. L., Karar, A., Alameh, K., and Lee, Y. T., “Optical absorption enhancement of hybrid-plasmonic-based metal-semiconductor-metal photodetector incorporating metal nanogratings and embedded metal nanoparticles,” Optics Express, vol. 21, no. 2, pp.1713-1725, 2013.

نظرات و سوالات

نظرات

9 -3

SPAK

خیلی خوبه برای بررسی مقدماتی جالبه