بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، ساختار جدیدی از آشکارسازهای نوری که از لایه های متناوب گرافن و سیلیکا بر روی یک لایه فلز با شیارهای حلقوی سیلیکا تشکیل شده است، ارائه میشود. در این طرح، تشدید پلاسمونهای سطحی نزدیک به شیارهای حلقوی، باعث افزایش جذب نور در لایه گرافن میشود. نتایج تحلیل عددی نشان میدهد که جذب در لایه گرافن از3 /2 به 5/47 و ماگزیمم جذب برای3 لایه گرافن تا 7/80 در محدوده طول موج باند C مخابراتی افزایش می یابد. ماگزیمم جذب به عمق شیارها، شعاع حلقهها و تعداد لایهها بستگی دارد. همچنین در این آشکارساز، جریان نوری و پاسخ دهی نوری به ترتیب به 50mA و 100 A/W در بایاس -5/1V و در طول موج 55/1ʽmبه دست آمد.
-1 مقدمه
آشکارساز نوری یکی از بلوکهای تشکیل دهنده اتصالات نوری الکترونیکی است که عمل تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی را انجام می دهد. آشکارسازهای نوری سیلیکونی به طور گسترده در رنج طیف مرئی به کار گرفته شده اند .[2] این آشکارسازها، برای آشکارسازی تابشهای نزدیک مادون قرمز - NIR - مناسب نیستند، زیرا انرژی فوتونهای NIR - 78/0-98/0eV - در طول موجهای مخابراتی برای اینکه بر شکاف انرژی سیلیکون غلبه کنند، مناسب نیستند.
در نتیجه تولید زوج الکترون حفره در اثر تابش، محدود و هیچ جریان نوری تولید نمی شود. در سالهای اخیر، صنعت ادوات نوری از ترکیب سیلیسیم با ژرمانیوم و ادغام با نیمه هادی-های گروه 3 و5 جدول تناوبی، جهت غلبه بر این مشکل استفاده کردند. اما این روشها به فرآیند ساخت پیچیده و پیشرفته نیاز دارند و با تکنولوژی CMOS سازگار نیستند، لذا از گرافن در آشکارسازهای نوری استفاده کردند.
گرافن یک صفحه کربنی دو بُعدی است که ساختار شبکه آن به صورت لانه زنبوری است و تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارد. گرافن خواص نوری ، الکترونیکی و گرمایی بیشماری دارد. الکترونهای پخش شده در گرافن همانند فرمیونهای دیراک بدون جرم، با رابطه خطی انرژی - اندازه حرکت رفتار میکنند و باعث افزایش تحرک پذیری حاملهای گرافن در دمای محیط تا 105 cm/Vs و دردماهای پایین تا cm/Vs 106 می شود.
ضریب جذب گرافن نسبت به سایر نیمههادی مرسوم بیشتر است، هدایت حرارتی بالا 5000 W/mK - برای تک لایه گرافن - و شکاف انرژی صفر، از خواص دیگر گرافن میباشند که باعث شده از گرافن در ادوات از قبیل آشکارسازهای نوری، سلولهای خورشیدی و دیودهای انتشار دهنده نور و ... استفاده شود. شایان ذکر است که گرافن با وجود جذب نوری بالا که بستگی به طول اندرکنش کوتاه آن با نور دارد فقط 3/2 نور مرئی تا مادون قرمز را جذب می-کند .این مقدار جذب نوری در گرافن برای کاربردهای آشکار سازی کافی نیست.
اخیرا از تکنولوژیهای نوری جهت بهبود جذب نوری گرافن استفاده شده است. اشتر مایر و همکارانش لایه گرافن را با نانو ساختارهای پلاسمونیک ترکیب کردندکه کارایی آشکارسازهای گرافنی را افزایش داد.[1]اباجو و همکارانش از الگودهی گرافن به صورت پریودیک جهت بهبود جذب نور در محدوده نور مادون قرمز استفاده کردند.[3]ژائو و همکارانش از گریتینگ فلزی جهت افزایش جذب نور در گرافن استفاده کردند.[5] ژو و همکارانش دریافتند که تزویج پلاسمونیک آرایهای از حفره های توخالی در حد نانو در محدوده نور مرئی، جذب نوری گرافن را تا 30 افزایش می دهد.[6] گزارش های بالا نشان می دهندکه پلاسمونیک در نانو ساختارهای فلزی به طور بالقوه جهت بهبود جذب نور در گرافن استفاده شده است.
-2 طراحی آشکارساز نوری
در اینجا، ساختار جدیدی از آشکارسازهای نوری که از لایه های متناوب گرافن و سیلیکا بر روی یک لایه فلز با شیارهای حلقوی سیلیکا تشکیل شده است،ارائه میشود. شکل 1 نمودار سه بعدی و برش عرضی ساختار مورد استفاده در آشکار ساز نوری مبتنی بر گرافن را نشان می دهد.
