Nowa technologiacienki krzemowy fotodetektor
Struktury wychwytujące fotony służą do zwiększenia absorpcji światła w cienkich warstwachfotodetektory krzemowe
Systemy fotoniczne szybko zyskują popularność w wielu nowych zastosowaniach, w tym w komunikacji optycznej, czujnikach lidarowych i obrazowaniu medycznym. Jednak powszechna adopcja fotoniki w przyszłych rozwiązaniach inżynieryjnych zależy od kosztów produkcjifotodetektory, co z kolei w dużym stopniu zależy od rodzaju półprzewodnika użytego w tym celu.
Tradycyjnie krzem (Si) był najbardziej powszechnym półprzewodnikiem w przemyśle elektronicznym, tak bardzo, że większość branż dojrzała wokół tego materiału. Niestety, Si ma stosunkowo słaby współczynnik absorpcji światła w widmie bliskiej podczerwieni (NIR) w porównaniu do innych półprzewodników, takich jak arsenek galu (GaAs). Z tego powodu GaAs i pokrewne stopy rozwijają się w zastosowaniach fotonicznych, ale nie są kompatybilne z tradycyjnymi procesami półprzewodników metalowo-tlenkowych (CMOS) stosowanymi w produkcji większości urządzeń elektronicznych. Doprowadziło to do gwałtownego wzrostu kosztów ich produkcji.
Naukowcy opracowali sposób na znaczne zwiększenie absorpcji bliskiej podczerwieni w krzemie, co może prowadzić do redukcji kosztów w wysokowydajnych urządzeniach fotonicznych, a zespół badawczy UC Davis jest pionierem nowej strategii, która ma na celu znaczne zwiększenie absorpcji światła w cienkich warstwach krzemu. W swojej najnowszej publikacji w Advanced Photonics Nexus po raz pierwszy zaprezentowali eksperymentalną demonstrację fotodetektora na bazie krzemu z mikro- i nanostrukturami powierzchni wychwytującymi światło, osiągając bezprecedensową poprawę wydajności porównywalną z GaAs i innymi półprzewodnikami grupy III-V. Fotodetektor składa się z cylindrycznej płytki krzemowej o grubości mikrona umieszczonej na izolacyjnym podłożu, z metalowymi „palcami” rozciągającymi się w sposób przypominający widełki palców od metalu stykowego na górze płytki. Co ważne, grudkowaty krzem jest wypełniony okrągłymi otworami rozmieszczonymi w okresowym wzorze, które działają jako miejsca wychwytu fotonów. Ogólna struktura urządzenia powoduje, że normalnie padające światło ugina się o prawie 90°, gdy uderza w powierzchnię, umożliwiając mu rozprzestrzenianie się bocznie wzdłuż płaszczyzny Si. Te boczne tryby rozprzestrzeniania się zwiększają długość podróży światła i skutecznie je spowalniają, co prowadzi do większej liczby oddziaływań światło-materia, a tym samym zwiększonej absorpcji.
Naukowcy przeprowadzili również symulacje optyczne i analizy teoretyczne, aby lepiej zrozumieć efekty struktur wychwytu fotonów, a także przeprowadzili kilka eksperymentów porównujących fotodetektory z nimi i bez nich. Odkryli, że wychwyt fotonów doprowadził do znacznej poprawy wydajności absorpcji szerokopasmowej w widmie NIR, utrzymując się powyżej 68% ze szczytem 86%. Warto zauważyć, że w paśmie bliskiej podczerwieni współczynnik absorpcji fotodetektora wychwytu fotonów jest kilkakrotnie wyższy niż zwykłego krzemu, przewyższając arsenek galu. Ponadto, chociaż proponowany projekt jest przeznaczony dla płytek krzemowych o grubości 1 μm, symulacje 30 nm i 100 nm warstw krzemowych kompatybilnych z elektroniką CMOS wykazują podobnie zwiększoną wydajność.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki tego badania pokazują obiecującą strategię poprawy wydajności fotodetektorów krzemowych w nowych zastosowaniach fotonicznych. Wysoką absorpcję można osiągnąć nawet w ultracienkich warstwach krzemu, a pojemność pasożytnicza obwodu może być utrzymywana na niskim poziomie, co jest krytyczne w systemach o dużej prędkości. Ponadto proponowana metoda jest zgodna z nowoczesnymi procesami produkcji CMOS i dlatego ma potencjał zrewolucjonizowania sposobu integracji optoelektroniki z tradycyjnymi obwodami. To z kolei może utorować drogę do znaczących skoków w niedrogich ultraszybkich sieciach komputerowych i technologii obrazowania.
Czas publikacji: 12-11-2024