Nova tehnologija tankega silicijevega fotodetektorja

Nova tehnologijaTanki silikonski fotodetektor
Strukture zajemanja fotonov se uporabljajo za izboljšanje absorpcije svetlobe v tankiSilicijevi fotodetektorji
Fotonski sistemi hitro pridobivajo vleko v številnih nastajajočih aplikacijah, vključno z optičnimi komunikacijami, zaznavanjem Lidar in medicinskim slikanjem. Vendar je široko sprejemanje fotonike v prihodnjih inženirskih rešitvah odvisno od stroškov proizvodnjeFotodetektorji, kar je v veliki meri odvisno od vrste polprevodnika, ki se uporablja v ta namen.
Tradicionalno je bil silicij (SI) najbolj vseprisoten polprevodnik v elektronski industriji, toliko, da je večina industrij dozorela okoli tega materiala. Na žalost ima SI razmeroma šibek koeficient absorpcije svetlobe v skoraj infrardečem (NIR) spektru v primerjavi z drugimi polprevodniki, kot je galijev arsenid (GAAS). Zaradi tega GAA in sorodne zlitine uspevajo v fotonskih aplikacijah, vendar niso združljivi s tradicionalnimi komplementarnimi procesi polprevodnikov kovinskega oksida (CMO), ki se uporabljajo pri proizvodnji večine elektronike. To je privedlo do močnega povečanja njihovih proizvodnih stroškov.
Raziskovalci so zasnovali način, kako močno izboljšati skoraj infrardečo absorpcijo v siliciju, kar bi lahko privedlo do zmanjšanja stroškov visokozmogljivih fotonskih naprav, raziskovalna skupina UC Davis pa pionira novo strategijo za močno izboljšanje absorpcije svetlobe v silikonskih tankih filmih. V svojem zadnjem prispevku na naprednem fotoniki Nexus prvič pokažejo eksperimentalno demonstracijo fotodetektorja na osnovi silicija z lahkimi mikro-in nano-površinskimi strukturami, pri čemer dosežejo neprimerljive izboljšave uspešnosti, primerljive z GAA in drugimi polprevodniki skupine III-V. Fotodetektor je sestavljen iz cilindrične silicijeve plošče, debele mikron, nameščene na izolacijski podlagi, kovinski "prsti" pa se razprostirajo na kovini s prstom iz 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 fotona. Celotna struktura naprave povzroči, da se običajno vpadna svetloba upogne za skoraj 90 °, ko zadene površino, kar omogoča, da se bočno širi vzdolž ravnine Si. Ti načini bočnega širjenja povečajo dolžino potovanja svetlobe in jo učinkovito upočasnijo, kar vodi do več interakcij svetlobe in s tem poveča absorpcijo.
Raziskovalci so izvedli tudi optične simulacije in teoretične analize, da bi bolje razumeli učinke struktur za zajem fotona in izvedli več poskusov, ki so primerjali fotodetektorje z njimi in brez njih. Ugotovili so, da je zajem fotona privedel do znatnega izboljšanja učinkovitosti absorpcije širokopasovne povezave v NIR spektru, pri čemer je ostal nad 68%, z največ 86%. Omeniti velja, da je v bližnjem infrardečem pasu absorpcijski koeficient fotodetektorja fotona večkrat višji kot pri navadnem siliciju, ki presega galijev arsenid. Poleg tega, čeprav je predlagana zasnova za 1 μm debele silicijeve plošče, simulacije 30 nm in 100 nm silicijevih filmov, združljivih s CMOS elektroniko, kažejo podobno izboljšano zmogljivost.
Na splošno rezultati te študije kažejo obetavno strategijo za izboljšanje uspešnosti fotodetektorjev na osnovi silicija v nastajajočih aplikacijah fotonike. Visoko absorpcijo lahko dosežemo tudi v ultra tankih silikonskih plasteh, parazitska kapacitivnost vezja pa je mogoče ohraniti nizko, kar je v sistemih za visoke hitrosti kritično. Poleg tega je predlagana metoda združljiva s sodobnimi proizvodnimi procesi CMOS in zato lahko spremeni način, kako je optoelektronika vključena v tradicionalna vezja. To bi lahko utiralo pot za velike skoke v cenovno ugodnih ultra hitrih računalniških omrežjih in tehnologiji slikanja.