Noua tehnologie defotodetector subțire de silicon
Structurile de captare a fotonului sunt folosite pentru a îmbunătăți absorbția luminii în subțirifotodetectoare cu siliciu
Sistemele fotonice câștigă rapid acțiune în multe aplicații emergente, inclusiv comunicațiile optice, detecția liDAR și imagistica medicală. Cu toate acestea, adoptarea pe scară largă a fotonicii în viitoarele soluții de inginerie depinde de costul de producție.fotodetectoare, care, la rândul său, depinde în mare măsură de tipul de semiconductor folosit în acest scop.
În mod tradițional, siliciul (Si) a fost cel mai răspândit semiconductor 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 acest motiv, GaAs și aliajele aferente prosperă în aplicațiile fotonice, dar nu sunt compatibile cu procesele tradiționale de semiconductor de oxid de metal (CMOS) complementare utilizate în producția majorității electronicelor. Acest lucru a dus la o creștere bruscă a costurilor lor de producție.
Cercetătorii au conceput o modalitate de a îmbunătăți considerabil absorbția în infraroșu apropiat în siliciu, ceea ce ar putea duce la reduceri de costuri la dispozitivele fotonice de înaltă performanță, iar o echipă de cercetare UC Davis este pionierat unei noi strategii pentru a îmbunătăți considerabil absorbția luminii în filmele subțiri de siliciu. În cea mai recentă lucrare de la Advanced Photonics Nexus, ei 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 fără precedent de performanță comparabile cu GaAs și alți semiconductori din grupul III-V. . Fotodetectorul constă dintr-o placă cilindrică de silicon cu o grosime de microni plasată pe un substrat izolator, cu „degete” metalice care se extind în formă de furculiță din metalul de contact din partea superioară a plăcii. Important este că siliciul nodul este umplut cu găuri circulare dispuse într-un model periodic care acționează ca locuri de captare a fotonilor. Structura generală a dispozitivului face ca lumina incidentă normal să se îndoaie cu aproape 90° atunci când lovește suprafața, permițându-i să se propagă lateral de-a lungul planului Si. Aceste moduri de propagare laterală măresc 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 fotodetectoarele cu și fără ele. Ei au descoperit că captarea fotonilor a condus la o îmbunătățire semnificativă a eficienței absorbției în bandă largă în spectrul NIR, rămânând peste 68% cu un vârf de 86%. Este de remarcat faptul că în banda de infraroșu apropiat, 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 de filme de siliciu de 30 nm și 100 nm compatibile cu electronica CMOS arată performanțe îmbunătățite similare.
În general, 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 ultra-subțiri de siliciu, iar capacitatea parazitară a circuitului poate fi menținută la un nivel scăzut, ceea ce este critic 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 salturi substanțiale în rețelele de computere ultrarapide și tehnologia imagistică la prețuri accesibile.
Ora postării: 12-11-2024