Micro and Nanophotonics for Semiconductor Infrared Detectors: Towards an Ultimate Uncooled Device

ظهور فن‌آوری‌ها و فناوری‌های نانو سیستم میکروالکترومکانیکی (MEMS) به تعداد زیادی از ساختارها و دستگاه‌ها با ابعاد بسیار فشرده و با خواص بسیار پیشرفته یا حتی کاملاً جدید منجر شده است. در زمینه فوتونیک منجر به ظهور پارادایم‌های جدیدی شد، از جمله کریستال‌های فوتونی که شکاف فوتونیک را نشان می‌دهند و یک آنالوگ نوری از نیمه‌رساناها و فرامواد را نشان می‌دهند که دارای ویژگی‌های زیرموج هستند و ممکن است مقادیر تقریبا دلخواه ضریب شکست مؤثر، از جمله موارد زیر صفر، داشته باشند. علاوه بر آن، میدان کاملاً جدیدی از پلاسمونیک ظاهر شد که به دستکاری با امواج الکترومغناطیسی محو شده و محدود به سطح اختصاص داشت و فرصتی برای ادغام نانوالکترونیک با مدارهای تمام نوری ارائه می‌کرد. در زمینه فناوری‌های مادون قرمز، MEMS و فناوری‌های نانو ظهور نسل جدیدی از آشکارسازهای حرارتی مبتنی بر سیلیکون را با خواصی فراتر از دستگاه‌های حرارتی معمولی تضمین کردند. با این حال، خانواده دیگری از آشکارسازهای مادون قرمز، دستگاه های فوتونیکی مبتنی بر نیمه هادی های باند باند باریک، به طور سنتی نسبت به آشکارسازهای حرارتی برتری داشته اند. ادبیات مربوط به تقویت میکرو و نانوفتونیک آنها کمیاب بوده و در مجلات پراکنده شده است. این کتاب اولین رویکرد سیستماتیک را به روش‌های مختلف MEMS و مبتنی بر فناوری نانو ارائه می‌کند که برای بهبود آشکارسازهای فروسرخ فوتونیکی موجود است و به مسیری به سمت عملیات خنک‌نشده با عملکرد دستگاه‌های خنک‌شده برودتی اشاره می‌کند. نشان داده شده است که منطقه وسیعی برای بهبود وجود دارد و دستگاه های فوتونیکی می توانند به راحتی موقعیت پیشرو خود را در تشخیص مادون قرمز حفظ کنند. روش‌ها و رویکردهای مختلفی که در این کتاب توضیح داده شده است نیز مستقیماً برای انواع مختلف آشکارسازهای نوری مانند سلول‌های خورشیدی، اغلب با تغییرات کم یا بدون تغییر، قابل استفاده است.

The advent of microelectromechanic system (MEMS) technologies and nanotechnologies has resulted in a multitude of structures and devices with ultra compact dimensions and with vastly enhanced or even completely novel properties. In the field of photonics it resulted in the appearance of new paradigms, including photonic crystals that exhibit photonic bandgap and represent an optical analog of semiconductors and metamaterials that have subwavelength features and may have almost arbitrary values of effective refractive index, including those below zero. In addition to that, a whole new field of plasmonics appeared, dedicated to the manipulation with evanescent, surface-bound electromagnetic waves and offering an opportunity to merge nanoelectronics with all-optical circuitry. In the field of infrared technologies MEMS and nanotechnologies ensured the appearance of a new generation of silicon-based thermal detectors with properties vastly surpassing the conventional thermal devices. However, another family of infrared detectors, photonic devices based on narrow-bandgap semiconductors, has traditionally been superior to thermal detectors. Literature about their micro and nanophotonic enhancement has been scarce and scattered through journals. This book offers the first systematic approach to numerous different MEMS and nanotechnology-based methods available for the improvement of photonic infrared detectors and points out to a path towards uncooled operation with the performance of cryogenically cooled devices. It is shown that a vast area for enhancement does exists and that photonic devices can readily keep their leading position in infrared detection. The various methods and approaches described in the book are also directly applicable to different other types of photodetectors like solar cells, often with little or no modification.