Nowa technologiacienki krzemowy fotodetektor
Struktury wychwytujące fotony służą do zwiększenia absorpcji światła w cienkich warstwach.fotodetektory krzemowe
Systemy fotoniczne szybko zyskują popularność w wielu nowych zastosowaniach, takich jak komunikacja optyczna, czujniki lidarowe i obrazowanie medyczne. Jednak powszechne zastosowanie fotoniki w przyszłych rozwiązaniach inżynieryjnych zależy od kosztów produkcji.fotodetektory, co z kolei w dużym stopniu zależy od rodzaju półprzewodnika użytego w tym celu.
Tradycyjnie krzem (Si) był najbardziej powszechnym półprzewodnikiem w przemyśle elektronicznym, do tego stopnia, że większość branż rozwinęła się wokół tego materiału. Niestety, krzem ma stosunkowo niski współczynnik absorpcji światła w widmie bliskiej podczerwieni (NIR) w porównaniu z innymi półprzewodnikami, takimi jak arsenek galu (GaAs). Z tego powodu GaAs i pokrewne stopy doskonale sprawdzają się w zastosowaniach fotonicznych, ale nie są kompatybilne z tradycyjnymi procesami półprzewodników metal-tlenek (CMOS) stosowanymi w produkcji większości układów 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 z UC Davis jest pionierem nowej strategii, która ma na celu znaczną poprawę absorpcji światła w cienkich warstwach krzemu. W swojej najnowszej publikacji na konferencji Advanced Photonics Nexus po raz pierwszy prezentują eksperymentalną demonstrację fotodetektora na bazie krzemu ze strukturami mikro- i nanopowierzchniowymi wychwytującymi światło, osiągając bezprecedensową poprawę wydajności porównywalną z GaAs i innymi półprzewodnikami grupy III-V. Fotodetektor składa się z cylindrycznej płytki krzemowej o mikronowej grubości umieszczonej na izolującym podłożu, z metalowymi „palcami” wystającymi niczym widełki od metalu stykającego się z powierzchnią płytki. Co ważne, grudkowaty krzem jest wypełniony okrągłymi otworami ułożonymi w regularny wzór, które działają jak miejsca wychwytu fotonów. Ogólna konstrukcja urządzenia powoduje, że normalnie padające światło załamuje się o prawie 90° po zetknięciu z powierzchnią, umożliwiając mu rozchodzenie się bocznie wzdłuż płaszczyzny Si. Te boczne mody rozchodzenia się wydłużają drogę światła i skutecznie ją spowalniają, co prowadzi do większej liczby oddziaływań między światłem a materią, a tym samym do zwiększonej absorpcji.
Naukowcy przeprowadzili również symulacje optyczne i analizy teoretyczne, aby lepiej zrozumieć wpływ struktur wychwytu fotonów, a także przeprowadzili szereg eksperymentów porównujących fotodetektory z nimi i bez nich. Stwierdzili, że wychwyt fotonów doprowadził do znacznej poprawy wydajności absorpcji szerokopasmowej w widmie NIR, utrzymując się powyżej 68% z wartością szczytową 86%. Warto zauważyć, że w paśmie bliskiej podczerwieni współczynnik absorpcji fotodetektora wychwytu fotonów jest kilkakrotnie wyższy niż w przypadku zwykłego krzemu, przewyższając arsenek galu. Ponadto, chociaż proponowany projekt jest przeznaczony dla płytek krzemowych o grubości 1 μm, symulacje warstw krzemowych o grubości 30 nm i 100 nm kompatybilnych z elektroniką CMOS wykazują podobną poprawę wydajności.
Podsumowując, wyniki niniejszego badania wskazują na obiecującą strategię poprawy wydajności fotodetektorów krzemowych w rozwijających się zastosowaniach fotonicznych. Wysoką absorpcję można osiągnąć nawet w ultracienkich warstwach krzemu, a pojemność pasożytnicza układu może być utrzymywana na niskim poziomie, co jest kluczowe w systemach o dużej szybkości. Ponadto proponowana metoda jest kompatybilna z nowoczesnymi procesami produkcji układów CMOS, a zatem ma potencjał zrewolucjonizowania sposobu integracji optoelektroniki z tradycyjnymi układami. To z kolei może utorować drogę do znaczącego rozwoju niedrogich, ultraszybkich sieci komputerowych i technologii obrazowania.
Czas publikacji: 12 listopada 2024 r.