Nova tehnologijatanek silicijev fotodetektor
Strukture za zajemanje fotonov se uporabljajo za izboljšanje absorpcije svetlobe v tankihsilicijevi fotodetektorji
Fotonski sistemi hitro pridobivajo na veljavi v številnih novih aplikacijah, vključno z optičnimi komunikacijami, liDAR zaznavanjem in medicinskim slikanjem. Vendar pa je široka uporaba fotonike v prihodnjih inženirskih rešitvah odvisna od stroškov proizvodnje.fotodetektorji, kar pa je v veliki meri odvisno od vrste polprevodnika, ki se uporablja za ta namen.
Tradicionalno je bil silicij (Si) najbolj razširjen polprevodnik v elektronski industriji, tako da je večina industrij dozorela okoli tega materiala. Žal ima Si relativno šibek koeficient absorpcije svetlobe v bližnjem infrardečem (NIR) spektru v primerjavi z drugimi polprevodniki, kot je galijev arzenid (GaAs). Zaradi tega GaAs in sorodne zlitine uspevajo v fotonskih aplikacijah, vendar niso združljive s tradicionalnimi komplementarnimi kovinsko-oksidnimi polprevodniškimi (CMOS) postopki, ki se uporabljajo pri proizvodnji večine elektronike. To je povzročilo močno povečanje njihovih proizvodnih stroškov.
Raziskovalci so zasnovali način za znatno izboljšanje absorpcije bližnjega infrardečega sevanja v siliciju, kar bi lahko privedlo do znižanja stroškov visokozmogljivih fotonskih naprav, raziskovalna skupina UC Davis pa je pionir nove strategije za znatno izboljšanje absorpcije svetlobe v tankih silicijevih filmih. V svojem najnovejšem članku na Advanced Photonics Nexus prvič predstavljajo eksperimentalno predstavitev silicijevega fotodetektorja z mikro- in nano-površinskimi strukturami, ki zajemajo svetlobo, s čimer dosegajo izjemne izboljšave zmogljivosti, primerljive z GaAs in drugimi polprevodniki skupine III-V. Fotodetektor je sestavljen iz mikronske debele valjaste silicijeve plošče, nameščene na izolacijski substrat, s kovinskimi "prsti", ki se raztezajo v obliki vilic iz kontaktne kovine na vrhu plošče. Pomembno je, da je grudast silicij napolnjen s krožnimi luknjami, razporejenimi v periodičnem vzorcu, ki delujejo kot mesta za zajemanje fotonov. Celotna struktura naprave povzroči, da se normalno vpadna svetloba upogne za skoraj 90°, ko zadene površino, kar ji omogoča, da se širi bočno vzdolž ravnine Si. Ti načini lateralnega širjenja povečajo dolžino potovanja svetlobe in jo učinkovito upočasnijo, kar vodi do več interakcij med svetlobo in snovjo ter s tem do večje absorpcije.
Raziskovalci so izvedli tudi optične simulacije in teoretične analize, da bi bolje razumeli učinke struktur za zajemanje fotonov, ter izvedli več poskusov, v katerih so primerjali fotodetektorje z njimi in brez njih. Ugotovili so, da je zajemanje fotonov privedlo do znatnega izboljšanja učinkovitosti širokopasovne absorpcije v NIR spektru, ki je ostala nad 68 % z vrhom 86 %. Omeniti velja, da je v bližnjem infrardečem pasu absorpcijski koeficient fotodetektorja za zajemanje fotonov nekajkrat višji kot pri navadnem siliciju in presega galijev arzenid. Poleg tega, čeprav je predlagana zasnova namenjena 1 μm debelim silicijevim ploščam, simulacije 30 nm in 100 nm silicijevih filmov, združljivih s CMOS elektroniko, kažejo podobno izboljšano delovanje.
Na splošno rezultati te študije kažejo na obetavno strategijo za izboljšanje delovanja fotodetektorjev na osnovi silicija v novih fotonskih aplikacijah. Visoko absorpcijo je mogoče doseči tudi v ultra tankih silicijevih plasteh, parazitska kapacitivnost vezja pa se lahko ohrani nizka, kar je ključnega pomena v visokohitrostnih sistemih. Poleg tega je predlagana metoda združljiva s sodobnimi proizvodnimi procesi CMOS in ima zato potencial, da revolucionira način integracije optoelektronike v tradicionalna vezja. To pa bi lahko utrlo pot znatnim preskokom v cenovno dostopnih ultrahitrih računalniških omrežjih in tehnologiji slikanja.
Čas objave: 12. november 2024