Нова технологија одтанки силицијумски фотодетектор
Структуре за хватање фотона користе се за побољшање апсорпције светлости у танкимсилицијумски фотодетектори
Фотонски системи брзо добијају на популарности у многим новим применама, укључујући оптичке комуникације, лиДАР сензоре и медицинско снимање. Међутим, широко распрострањено усвајање фотонике у будућим инжењерским решењима зависи од трошкова производње.фотодетектори, што заузврат у великој мери зависи од типа полупроводника који се користи у ту сврху.
Традиционално, силицијум (Si) је био најзаступљенији полупроводник у електронској индустрији, толико да је већина индустрија сазрела око овог материјала. Нажалост, Si има релативно слаб коефицијент апсорпције светлости у блиском инфрацрвеном (NIR) спектру у поређењу са другим полупроводницима као што је галијум арсенид (GaAs). Због тога, GaAs и сродне легуре напредују у фотонским применама, али нису компатибилне са традиционалним комплементарним метал-оксид полупроводничким (CMOS) процесима који се користе у производњи већине електронике. То је довело до наглог повећања њихових трошкова производње.
Истраживачи су осмислили начин да значајно побољшају апсорпцију блиског инфрацрвеног зрачења у силицијуму, што би могло довести до смањења трошкова високоперформансних фотонских уређаја, а истраживачки тим са Калифорнијског универзитета у Дејвису је пионир у новој стратегији за значајно побољшање апсорпције светлости у танким силицијумским филмовима. У свом најновијем раду на конференцији Advanced Photonics Nexus, они први пут демонстрирају експерименталну демонстрацију фотодетектора на бази силицијума са микро- и нано-површинским структурама које хватају светлост, постижући невиђена побољшања перформанси упоредива са GaAs и другим полупроводницима III-V групе. Фотодетектор се састоји од цилиндричне силицијумске плоче дебљине микрона постављене на изолациону подлогу, са металним „прстима“ који се протежу у облику виљушке од контактног метала на врху плоче. Важно је напоменути да је грудвасти силицијум испуњен кружним рупама распоређеним у периодичном обрасцу које делују као места за хватање фотона. Укупна структура уређаја узрокује да се нормално упадна светлост савије за скоро 90° када удари у површину, омогућавајући јој да се шири бочно дуж Si равни. Ови латерални начини простирања повећавају дужину путовања светлости и ефикасно је успоравају, што доводи до већих интеракција светлости и материје и тиме повећане апсорпције.
Истраживачи су такође спровели оптичке симулације и теоријске анализе како би боље разумели ефекте структура за хватање фотона и спровели неколико експеримената упоређујући фотодетекторе са и без њих. Открили су да хватање фотона доводи до значајног побољшања ефикасности широкопојасне апсорпције у NIR спектру, остајући изнад 68% са врхунцем од 86%. Вреди напоменути да је у блиском инфрацрвеном опсегу коефицијент апсорпције фотодетектора за хватање фотона неколико пута већи од обичног силицијума, превазилазећи галијум арсенид. Поред тога, иако је предложени дизајн за силицијумске плоче дебљине 1 μm, симулације силицијумских филмова од 30 nm и 100 nm компатибилних са CMOS електроником показују сличне побољшане перформансе.
Генерално, резултати ове студије показују обећавајућу стратегију за побољшање перформанси фотодетектора на бази силицијума у новим фотонским применама. Висока апсорпција може се постићи чак и у ултратанким слојевима силицијума, а паразитски капацитет кола може се одржати ниским, што је критично у системима велике брзине. Поред тога, предложена метода је компатибилна са модерним CMOS производним процесима и стога има потенцијал да револуционише начин на који се оптоелектроника интегрише у традиционална кола. Ово би, заузврат, могло да отвори пут значајним скоковима у приступачним ултрабрзим рачунарским мрежама и технологији снимања.
Време објаве: 12. новембар 2024.