Новый процесс усиления сигнала, обнаруженный группой исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего, теперь готов стать источником энергии для новых поколений электрических и фотонных устройств, трансформируя области связи, обработки изображений и вычислений. В журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing команда описывает свою работу, стоящую за этим открытием.«В течение многих лет полупроводниковая промышленность полагалась на фотодетекторы для оптоэлектрического преобразования, за которыми следовали малошумящие электронные усилители для преобразования оптических сигналов в электронные с усилением для обнаружения и обработки информации», — пояснил Ю-Хва Ло, профессор электротехники. и компьютерная инженерия в Калифорнийском университете в Сан-Диего.Также широко признано, что наивысшая чувствительность может быть достигнута путем объединения электронного усилителя с фотодетектором, который использует внутренний механизм усиления для оптимального баланса теплового шума электронного усилителя и дробового шума, типа шума, возникающего в фотодетекторе. из-за корпускулярной природы света.
«Следуя этому установленному принципу, лавинные фотодетекторы, использующие ударную ионизацию, стали предпочтительными устройствами и оставались таковыми на протяжении многих десятилетий», — отметил Ло. Однако ударная ионизация имеет недостатки, такие как высокое рабочее напряжение — обычно от 30 до 200 В — и быстро увеличивающийся шум при усилении.Таким образом, команда искала более эффективный механизм внутреннего усиления для полупроводников, чтобы усилить фототок при гораздо более низком напряжении и шумах, чем текущий метод.«Благодаря пониманию сложных взаимодействий между электронами в локализованных и протяженных состояниях и фононами (единица колебательной энергии, возникающей в результате колебания атомов внутри кристалла), мы обнаружили гораздо более эффективный механизм — циклический процесс возбуждения (CEP ) — чтобы усилить сигнал, — сказала Ло.
Готовы вникнуть в технические концепции? Устройство в основном имеет p / n-переход (граница между двумя полупроводниковыми материалами в монокристалле полупроводника), аналогичный тем, что есть в полупроводниковых устройствах. «Единственная уникальная особенность состоит в том, что обе стороны p / n-перехода содержат значительное количество встречного легирования — большое количество доноров существует в p-области, а акцепторы — в n-области», — пояснил Ло.
Такая структура называется «сильно компенсированным p / n-переходом».Встречные примеси в компенсированном p / n переходе ответственны за высокоэффективный процесс усиления сигнала (фототока). Электроны или дырки, пересекающие обедненную область, приобретают кинетическую энергию и, в свою очередь, возбуждают новые электронно-дырочные пары, используя компенсирующие примеси (доноры на p-стороне и акцепторы на n-стороне) в качестве промежуточных состояний.«Энергичный электрон, например, может возбудить электрон с занятого акцептора в зону проводимости, в то время как фонон поглощается впоследствии, чтобы заполнить акцептор электроном из валентной зоны, создавая дырку в валентной зоне для завершения генерация пары электрон-дырка ", — сказал Ючунь Чжоу, первый автор статьи и докторант в группе Ло. «Этот тип процесса происходит по обе стороны p / n-перехода и формирует циклы электронно-дырочного возбуждения для получения высокого усиления».
Ключевым открытием и нововведением в процессе усиления является использование компенсирующих примесей в качестве промежуточных этапов для генерации электронно-дырочных пар. «Примесные состояния локализованы, поэтому сохранение импульса, ограничивающее эффективность традиционной ударной ионизации, может быть значительно ослаблено и приводит к более высокой эффективности усиления сигнала и снижению рабочего напряжения», — добавил Ло.Самый поразительный подтекст открытия команды? «Возможно, что совершенно новый физический механизм можно найти в самой распространенной структуре устройства — p / n-переходе, который использовался со времен расцвета полупроводниковой промышленности», — сказал Ло. «Похоже, что небольшая модификация, такая как компенсация сильного легирования, из общей структуры может быть использована, чтобы воспользоваться преимуществами необычного физического процесса, который является результатом согласованного взаимодействия между электронами в расширенных и локализованных (примесных) состояниях и фононами».По словам команды, с дальнейшими улучшениями обнаруженный механизм усиления сигнала может быть использован в самых разных устройствах и полупроводниках, что представляет собой новую парадигму для полупроводниковой промышленности.
«Благодаря эффективному механизму усиления при рабочем напряжении, совместимом с интегральными схемами КМОП, можно производить устройства связи и формирования изображений с превосходной чувствительностью при низких затратах», — отметил Ло. «Используя другие методы наряду с оптическим возбуждением для создания затравочных носителей, которые инициируют циклический процесс возбуждения, мы можем создать новые типы транзисторов и схем и расширить область применения за пределы оптического обнаружения».