Nova tehnologija zatanek silicijev fotodetektor
Strukture za zajem fotonov se uporabljajo za izboljšanje absorpcije svetlobe v tankihsilicijevi fotodetektorji
Fotonski sistemi se hitro uveljavljajo v številnih nastajajočih aplikacijah, vključno z optičnimi komunikacijami, zaznavanjem liDAR in medicinskim slikanjem. Vendar pa je razširjena uporaba fotonike v prihodnjih inženirskih rešitvah odvisna od stroškov izdelave.fotodetektorji, kar pa je v veliki meri odvisno od vrste polprevodnika, uporabljenega v ta namen.
Tradicionalno je bil silicij (Si) najbolj vseprisoten polprevodnik v elektronski industriji, tako zelo, da je večina industrij dozorela okoli tega materiala. Na žalost ima Si razmeroma 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 postopki kovinsko-oksidnega polprevodnika (CMOS), ki se uporabljajo v proizvodnji večine elektronike. To je povzročilo močno povečanje njihovih proizvodnih stroškov.
Raziskovalci so zasnovali način za močno izboljšanje absorpcije bližnje infrardeče svetlobe v siliciju, kar bi lahko privedlo do znižanja stroškov visoko zmogljivih fotonskih naprav, raziskovalna skupina UC Davis pa uvaja novo strategijo za močno izboljšanje absorpcije svetlobe v silicijevih tankih filmih. V svojem zadnjem prispevku pri Advanced Photonics Nexus prvič prikazujejo eksperimentalno predstavitev fotodetektorja na osnovi silicija z mikro in nano površinskimi strukturami, ki zajemajo svetlobo, in dosegajo izjemne izboljšave zmogljivosti, primerljive z GaAs in drugimi polprevodniki skupine III-V. . Fotodetektor je sestavljen iz mikrona debele cilindrične silikonske plošče, nameščene na izolacijski substrat, s kovinskimi "prsti", ki segajo v obliki prstov-vilic od kontaktne kovine na vrhu plošče. Pomembno je, da je grudasti silicij napolnjen s krožnimi luknjami, razporejenimi v periodičnem vzorcu, ki delujejo kot mesta za zajem fotonov. Celotna struktura naprave povzroči, da se običajno vpadna svetloba upogne za skoraj 90°, ko zadene površino, kar ji omogoča bočno širjenje vzdolž ravnine Si. Ti načini bočnega širjenja povečajo dolžino potovanja svetlobe in jo učinkovito upočasnijo, kar povzroči več interakcij med svetlobo in snovjo in s tem povečano absorpcijo.
Raziskovalci so izvedli tudi optične simulacije in teoretične analize, da bi bolje razumeli učinke struktur za zajem fotonov, in izvedli več eksperimentov, v katerih so primerjali fotodetektorje z in brez njih. Ugotovili so, da je zajem fotonov privedel do pomembnega izboljšanja učinkovitosti širokopasovne absorpcije v spektru NIR, ki je ostala nad 68 % z vrhom 86 %. Omeniti velja, da je v bližnjem infrardečem pasu absorpcijski koeficient fotodetektorja za zajem fotonov nekajkrat višji kot pri navadnem siliciju, kar presega galijev arzenid. Poleg tega, čeprav je predlagana zasnova za 1 μm debele silicijeve plošče, simulacije 30 nm in 100 nm silicijevih filmov, združljivih z elektroniko CMOS, kažejo podobno izboljšano zmogljivost.
Na splošno rezultati te študije kažejo obetavno strategijo za izboljšanje učinkovitosti fotodetektorjev na osnovi silicija v nastajajočih aplikacijah fotonike. Visoko absorpcijo je mogoče doseči celo v ultratankih slojih silicija, parazitna kapacitivnost vezja pa je lahko nizka, kar je ključnega pomena v sistemih z visoko hitrostjo. Poleg tega je predlagana metoda združljiva s sodobnimi proizvodnimi procesi CMOS in ima zato potencial za revolucijo načina integracije optoelektronike v tradicionalna vezja. To pa bi lahko utrlo pot znatnim preskokom v cenovno dostopnih ultrahitrih računalniških omrežjih in slikovni tehnologiji.
Čas objave: 12. nov. 2024