Nowa technologiaCienki fotodetektor krzemowy
Struktury przechwytywania fotonów są używane w celu zwiększenia absorpcji światła w cienkiejfotodetektory silikonowe
Systemy fotoniczne szybko zyskują przyczepność w wielu nowych zastosowaniach, w tym komunikacji optycznej, wykryciu lidaru i obrazowaniu medycznym. Jednak powszechne przyjęcie fotoniki w przyszłych rozwiązaniach inżynieryjnych zależy od kosztów produkcjifotodetektory, co z kolei zależy w dużej mierze od rodzaju półprzewodnika używanego w tym celu.
Tradycyjnie Silicon (SI) był najbardziej wszechobecnym półprzewodnikiem w branży elektronicznej, do tego stopnia, że większość branż dojrzała wokół tego materiału. Niestety, SI ma stosunkowo słaby współczynnik absorpcji światła w widmie bliskiej podczerwieni (NIR) w porównaniu z innymi półprzewodnikami, takimi jak arsenid galu (GAA). Z tego powodu GAA i powiązane stopy kwitną w zastosowaniach fotonicznych, ale nie są kompatybilne z tradycyjnymi procesami półprzewodnikowymi (CMOS), stosowanymi w produkcji większości elektroniki. Doprowadziło to do gwałtownego wzrostu kosztów produkcji.
Naukowcy opracowali sposób na znacznie zwiększenie absorpcji bliskiej podczerwieni w krzemie, co może prowadzić do obniżenia kosztów w urządzeniach fotonicznych o wysokiej wydajności, a zespół badawczy UC Davis jest pionierem nowej strategii, aby znacznie poprawić wchłanianie światła w cienkich filmach. W swoim najnowszym artykule w Advanced Photonics Nexus po raz pierwszy pokazują eksperymentalną demonstrację fotodetektora na bazie krzemu z lekkimi strukturami mikro-i nano-powierzchni, osiągając bezprecedensową poprawę wydajności porównywalną z GAAS i innymi półprzewodnikami grupy III-V. Fotodetektor składa się z cylindrycznej płyty silikonowej z mikronami umieszczoną na podłożu izolacyjnym, z metalowymi „palcami” rozciągającymi się w sposób palca z metalu styku na górze płyty. Co ważne, nierówny krzem jest wypełniony okrągłymi otworami ułożonymi w okresowy wzór, który działa jak miejsca przechwytywania fotonów. Ogólna struktura urządzenia powoduje zgięcie normalnie padającego światła o prawie 90 °, gdy uderza w powierzchnię, umożliwiając rozprzestrzenianie się bocznie wzdłuż płaszczyzny SI. Te boczne tryby propagacji zwiększają długość podróży światła i skutecznie je spowalnia, co prowadzi do większej liczby interakcji światła, a tym samym zwiększonego wchłaniania.
Naukowcy przeprowadzili również symulacje optyczne i analizy teoretyczne, aby lepiej zrozumieć skutki struktur przechwytywania fotonów i przeprowadzili kilka eksperymentów porównujących fotodetektory z nimi. Odkryli, że przechwytywanie fotonów doprowadziło do znacznej poprawy wydajności absorpcji szerokopasmowej w widmie NIR, pozostając powyżej 68% przy szczycie 86%. Warto zauważyć, że w paśmie bliskiej podczerwieni współczynnik absorpcji fotodetektora przechwytywania fotonu jest kilka razy wyższy niż zwykły krzem, przekraczający arsenek galu. Ponadto, chociaż proponowana konstrukcja dotyczy płyt krzemowych o grubości 1 μm, symulacje folii krzemowych 30 nm i 100 nm kompatybilnych z elektroniką CMOS wykazują podobną zwiększoną wydajność.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki tego badania pokazują obiecującą strategię poprawy wydajności fotodetektorów na bazie krzemu w nowych zastosowaniach fotonicznych. Wysokie wchłanianie można osiągnąć nawet w ultraciennych warstwach krzemowych, a pasożytnicza pojemność obwodu może być utrzymywana na niskim poziomie, co jest krytyczne w systemach dużych prędkości. Ponadto proponowana metoda jest kompatybilna z nowoczesnymi procesami produkcyjnymi CMO, a zatem może zrewolucjonizować sposób, w jaki optoelektronika jest zintegrowana z tradycyjnymi obwodami. To z kolei może utorować drogę do znacznych skoków w niedrogich ultraszybkich sieciach komputerowych i technologii obrazowania.
Czas postu: 12-2024