Нова технологија одтанки силицијум фотодетектор
Структуре за хватање фотона се користе за побољшање апсорпције светлости у танком слојусилицијумски фотодетектори
Фотонски системи брзо добијају на снази у многим новим апликацијама, укључујући оптичке комуникације, лиДАР сенсинг и медицинско снимање. Међутим, широко усвајање фотонике у будућим инжењерским решењима зависи од цене производњефотодетектори, што опет у великој мери зависи од врсте полупроводника који се користи у ту сврху.
Традиционално, силицијум (Си) је био најприсутнији полупроводник у електронској индустрији, толико да је већина индустрија сазрела око овог материјала. Нажалост, Си има релативно слаб коефицијент апсорпције светлости у блиском инфрацрвеном (НИР) спектру у поређењу са другим полупроводницима као што је галијум арсенид (ГаАс). Због тога, ГаАс и сродне легуре напредују у фотонским применама, али нису компатибилне са традиционалним комплементарним метал-оксидним полупроводничким процесима (ЦМОС) који се користе у производњи већине електронике. То је довело до наглог повећања њихових производних трошкова.
Истраживачи су осмислили начин да значајно побољшају апсорпцију близу инфрацрвеног зрачења у силицијуму, што би могло довести до смањења трошкова фотонских уређаја високих перформанси, а истраживачки тим УЦ Давис је пионир у новој стратегији за значајно побољшање апсорпције светлости у танким филмовима силикона. У свом најновијем раду на Адванцед Пхотоницс Некус-у, они по први пут демонстрирају експерименталну демонстрацију фотодетектора на бази силикона са микро- и нано-површинским структурама које хватају светлост, постижући невиђена побољшања перформанси упоредива са ГаАс и другим полупроводницима ИИИ-В групе . Фотодетектор се састоји од цилиндричне силиконске плоче дебљине микрона постављене на изолациону подлогу, са металним „прстима“ који се протежу на начин прст-виљушка од контактног метала на врху плоче. Важно је да је грудасти силицијум испуњен кружним рупама распоређеним у периодичном обрасцу које делују као места за хватање фотона. Целокупна структура уређаја узрокује да се нормално упадна светлост савија за скоро 90° када удари у површину, омогућавајући јој да се шири бочно дуж Си равни. Ови начини бочног ширења повећавају дужину путовања светлости и ефикасно га успоравају, што доводи до више интеракција светлости и материје и самим тим 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 је хватање фотона довело до значајног побољшања ефикасности широкопојасне апсорпције у НИР спектру, остајући изнад 68% са врхом од 86%. Вреди напоменути да је у блиском инфрацрвеном опсегу коефицијент апсорпције фотодетектора за хватање фотона неколико пута већи од обичног силицијума, што премашује галијум-арсенид. Поред тога, иако је предложени дизајн за силиконске плоче дебљине 1 μм, симулације силиконских филмова од 30 нм и 100 нм компатибилних са ЦМОС електроником показују сличне побољшане перформансе.
Све у свему, резултати ове студије показују обећавајућу стратегију за побољшање перформанси фотодетектора на бази силицијума у новим фотоничким апликацијама. Висока апсорпција се може постићи чак и у ултра танким слојевима силикона, а паразитски капацитет кола се може одржавати ниским, што је критично у системима велике брзине. Поред тога, предложени метод је компатибилан са савременим ЦМОС производним процесима и стога има потенцијал да револуционише начин на који је оптоелектроника интегрисана у традиционална кола. Ово би, заузврат, могло да отвори пут за значајне скокове у приступачним ултрабрзим рачунарским мрежама и технологији снимања.
Време поста: 12.11.2024