Nowa technologiacienki fotodetektor krzemowy
Struktury wychwytujące fotony służą do zwiększenia absorpcji światła w cienkich materiałachfotodetektory krzemowe
Systemy fotoniczne szybko zyskują na popularności w wielu nowych zastosowaniach, w tym w komunikacji optycznej, wykrywaniu LIDAR i obrazowaniu medycznym. Jednak powszechne zastosowanie fotoniki w przyszłych rozwiązaniach inżynieryjnych zależy od kosztów produkcjifotodetektory, co z kolei zależy w dużej mierze od rodzaju półprzewodnika użytego do tego celu.
Tradycyjnie krzem (Si) był najbardziej wszechobecnym półprzewodnikiem w przemyśle elektronicznym do tego stopnia, że większość gałęzi przemysłu rozwinęła się wokół tego materiału. Niestety Si ma stosunkowo słaby współczynnik absorpcji światła w widmie bliskiej podczerwieni (NIR) w porównaniu z innymi półprzewodnikami, takimi jak arsenek galu (GaAs). Z tego powodu GaA i pokrewne stopy cieszą się dużym powodzeniem w zastosowaniach fotonicznych, ale nie są kompatybilne z tradycyjnymi procesami komplementarnych półprzewodników metalowo-tlenkowych (CMOS) stosowanymi w produkcji większości elektroniki. Doprowadziło to do gwałtownego wzrostu kosztów ich produkcji.
Naukowcy opracowali sposób na znaczne zwiększenie absorpcji bliskiej podczerwieni w krzemie, co może prowadzić do obniżenia kosztów wysokowydajnych urządzeń fotonicznych, a zespół badawczy z UC Davis jest pionierem w zakresie nowej strategii znacznej poprawy absorpcji światła w cienkich warstwach krzemu. W swoim najnowszym artykule opublikowanym w Advanced Photonics Nexus po raz pierwszy demonstrują eksperymentalną demonstrację fotodetektora na bazie krzemu z mikro- i nanostrukturami przechwytującymi światło, osiągając niespotykaną dotąd poprawę wydajności porównywalną z GaA i innymi półprzewodnikami grupy III-V . Fotodetektor składa się z cylindrycznej płytki krzemowej o grubości mikrona, umieszczonej na izolacyjnym podłożu, z metalowymi „palcami” wystającymi na zasadzie widełek z metalu kontaktowego na górze płytki. Co ważne, grudkowaty krzem wypełniony jest okrągłymi dziurami ułożonymi w sposób okresowy, które pełnią funkcję miejsc wychwytywania fotonów. Ogólna konstrukcja urządzenia powoduje, że normalnie padające światło załamuje się o prawie 90°, gdy uderza w powierzchnię, umożliwiając mu poprzeczną propagację wzdłuż płaszczyzny Si. Te tryby propagacji bocznej zwiększają długość podróży światła i skutecznie je spowalniają, co prowadzi do większej liczby interakcji światło-materia, a tym samym do zwiększonej absorpcji.
Naukowcy przeprowadzili także symulacje optyczne i analizy teoretyczne, aby lepiej zrozumieć wpływ struktur wychwytujących fotony, a także przeprowadzili kilka eksperymentów porównujących fotodetektory z nimi i bez nich. Odkryli, że wychwytywanie fotonów doprowadziło do znacznej poprawy efektywności absorpcji szerokopasmowej w widmie NIR, utrzymując się na poziomie powyżej 68%, a szczytowo na poziomie 86%. Warto zauważyć, że w paśmie bliskiej podczerwieni współczynnik absorpcji fotodetektora wychwytującego fotony jest kilkukrotnie wyższy niż zwykłego krzemu, przewyższając arsenek galu. Ponadto, chociaż proponowany projekt dotyczy płytek krzemowych o grubości 1 μm, symulacje warstw krzemowych 30 nm i 100 nm zgodnych z elektroniką CMOS wykazują podobną zwiększoną wydajność.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki tego badania wskazują na obiecującą strategię poprawy wydajności fotodetektorów krzemowych w nowych zastosowaniach fotoniki. Wysoką absorpcję można osiągnąć nawet w ultracienkich warstwach krzemu, a pojemność pasożytnicza obwodu może być utrzymywana na niskim poziomie, co ma kluczowe znaczenie w systemach o dużej prędkości. Ponadto proponowana metoda jest kompatybilna z nowoczesnymi procesami produkcyjnymi CMOS i dlatego może zrewolucjonizować sposób integrowania optoelektroniki z tradycyjnymi obwodami. To z kolei może utorować drogę do znacznych postępów w niedrogich ultraszybkich sieciach komputerowych i technologii obrazowania.
Czas publikacji: 12 listopada 2024 r