Noua tehnologie afotodetector de siliciu subțire
Structurile de captare a fotonilor sunt utilizate pentru a îmbunătăți absorbția luminii în straturi subțirifotodetectoare de siliciu
Sistemele fotonice câștigă rapid teren în multe aplicații emergente, inclusiv comunicațiile optice, detectarea liDAR și imagistica medicală. Cu toate acestea, adoptarea pe scară largă a fotonicii în soluțiile inginerești viitoare depinde de costul de fabricație.fotodetectoare, care, la rândul său, depinde în mare măsură de tipul de semiconductor utilizat în acest scop.
În mod tradițional, siliciul (Si) a fost semiconductorul cel mai omniprezent în industria electronică, atât de mult încât majoritatea industriilor s-au maturizat în jurul acestui material. Din păcate, Si are un coeficient de absorbție a luminii relativ slab în spectrul infraroșu apropiat (NIR) în comparație cu alți semiconductori, cum ar fi arseniura de galiu (GaAs). Din această cauză, GaAs și aliajele înrudite prosperă în aplicațiile fotonice, dar nu sunt compatibile cu procesele tradiționale CMOS (semiconductori metal-oxid complementari) utilizate în producția majorității electronicelor. Acest lucru a dus la o creștere bruscă a costurilor lor de fabricație.
Cercetătorii au conceput o modalitate de a îmbunătăți considerabil absorbția în infraroșu apropiat în siliciu, ceea ce ar putea duce la reduceri de costuri în dispozitivele fotonice de înaltă performanță, iar o echipă de cercetare de la UC Davis este pionieră într-o nouă strategie pentru a îmbunătăți considerabil absorbția luminii în peliculele subțiri de siliciu. În cea mai recentă lucrare a lor de la Advanced Photonics Nexus, aceștia demonstrează pentru prima dată o demonstrație experimentală a unui fotodetector pe bază de siliciu cu structuri de micro- și nano-suprafață care captează lumina, obținând îmbunătățiri de performanță fără precedent, comparabile cu GaAs și alți semiconductori din grupa III-V. Fotodetectorul constă dintr-o placă cilindrică de siliciu cu grosimea de microni, plasată pe un substrat izolator, cu „degete” metalice care se extind în formă de furcă de la metalul de contact din partea superioară a plăcii. Este important de menționat că siliciul grunjos este umplut cu găuri circulare aranjate într-un model periodic care acționează ca locuri de captare a fotonilor. Structura generală a dispozitivului face ca lumina incidentă în mod normal să se curbeze cu aproape 90° atunci când atinge suprafața, permițându-i să se propage lateral de-a lungul planului Si. Aceste moduri de propagare laterală cresc lungimea călătoriei luminii și o încetinesc efectiv, ducând la mai multe interacțiuni lumină-materie și, prin urmare, la o absorbție crescută.
Cercetătorii au efectuat, de asemenea, simulări optice și analize teoretice pentru a înțelege mai bine efectele structurilor de captare a fotonilor și au efectuat mai multe experimente comparând fotodetectorii cu și fără acestea. Aceștia au descoperit că captura de fotoni a dus la o îmbunătățire semnificativă a eficienței absorbției în bandă largă în spectrul NIR, menținându-se peste 68%, cu un vârf de 86%. Este demn de remarcat faptul că în banda infraroșie apropiată, coeficientul de absorbție al fotodetectorului de captare a fotonilor este de câteva ori mai mare decât cel al siliciului obișnuit, depășind arseniura de galiu. În plus, deși designul propus este pentru plăci de siliciu cu grosimea de 1 μm, simulările peliculelor de siliciu de 30 nm și 100 nm compatibile cu electronica CMOS arată performanțe îmbunătățite similare.
Per ansamblu, rezultatele acestui studiu demonstrează o strategie promițătoare pentru îmbunătățirea performanței fotodetectorilor pe bază de siliciu în aplicațiile fotonice emergente. O absorbție ridicată poate fi obținută chiar și în straturi de siliciu ultra-subțiri, iar capacitatea parazită a circuitului poate fi menținută scăzută, ceea ce este esențial în sistemele de mare viteză. În plus, metoda propusă este compatibilă cu procesele moderne de fabricație CMOS și, prin urmare, are potențialul de a revoluționa modul în care optoelectronica este integrată în circuitele tradiționale. Acest lucru, la rândul său, ar putea deschide calea pentru progrese substanțiale în rețelele de calculatoare ultrarapide accesibile și tehnologia de imagistică.
Data publicării: 12 noiembrie 2024