Nová technologie tenkého silikonového fotodetektoru

Nová technologietenký křemíkový fotodetektor
Struktury zachycení fotonů se používají ke zvýšení absorpce světla v tenkéKřemíkové fotodetektory
Fotonické systémy rychle získávají trakci v mnoha rozvíjejících se aplikacích, včetně optické komunikace, snímání lidaru a lékařského zobrazování. Rozsáhlé přijetí fotoniky v budoucích inženýrských řešeních však závisí na nákladech na výrobufotodetektory, což zase do značné míry závisí na typu polovodiče použitého pro tento účel.
Tradičně je Silicon (SI) nejvíce všudypřítomným polovodičem v elektronickém průmyslu, natolik, že většina průmyslových odvětví se kolem tohoto materiálu dozrávala. Bohužel má SI relativně slabý absorpční koeficient světla ve spektru blízké infračervené (NIR) ve srovnání s jinými polovodiči, jako je arsenid Gallium (GaAs). Z tohoto důvodu se Gaa a související slitiny daří ve fotonických aplikacích, ale nejsou kompatibilní s tradičními doplňkovými polovodičovými procesy oxidu kovu (CMOS) používané při výrobě většiny elektroniky. To vedlo k prudkému zvýšení jejich výrobních nákladů.
Vědci vymysleli způsob, jak výrazně posílit absorpci téměř infračerveného v křemíku, což by mohlo vést ke snížení nákladů ve vysoce výkonných fotonických zařízeních a výzkumný tým UC Davis je průkopní novou strategii pro výraznou zlepšení absorpce světla v tenkých filmech křemíku. Ve svém nejnovějším článku v oblasti Advanced Photonics Nexus poprvé demonstrují experimentální demonstraci fotodetektoru na bázi křemíku s mikropodnikem zachycujícím světlo-a nanohnivové struktury, které dosahují bezprecedentních zlepšení výkonu srovnatelné s GaAS a dalšími skupinami III-V. Fotodetektor se skládá z válcovité silikonové destičky na tloušťce mikronu umístěného na izolačním substrátu, přičemž kovové „prsty“ se rozprostírají fonter-vieční módou z kontaktního kovu v horní části desky. Důležité je, že hrudkový křemík je naplněn kruhovými otvory uspořádanými v periodickém vzoru, který působí jako místa pro zachycení fotonu. Celková struktura zařízení způsobuje, že se normálně dopadající světlo ohýbá téměř o 90 °, když zasáhne povrch, což mu umožňuje šířit laterálně podél roviny SI. Tyto režimy postranní šíření zvyšují délku cestování světla a účinně jej zpomalují, což vede k více interakcím s lehkou hmotou, a tak zvýšila absorpci.
Vědci také provedli optické simulace a teoretické analýzy, aby lépe porozuměli účinkům struktur zachycení fotonů, a provedli několik experimentů porovnávajících fotodetektory s nimi a bez nich. Zjistili, že zachycení fotonu vedlo k významnému zlepšení účinnosti absorpce širokopásmového připojení ve spektru NIR a zůstalo nad 68% s vrcholem 86%. Stojí za zmínku, že v blízkém infračerveném pásmu je absorpční koeficient fotodetektoru záchytu fotonu několikrát vyšší než u běžného křemíku, přesahující arzenid Gallium. Kromě toho, ačkoli navrhovaný design je pro křemíkové destičky o tloušťce 1 μm, simulace 30 nm a 100 nm křemíkových filmů kompatibilních s elektronikou CMOS vykazují podobný zvýšený výkon.
Celkově výsledky této studie prokazují slibnou strategii pro zlepšení výkonu fotodetektorů na bázi křemíku v rozvíjejících se fotonických aplikacích. Vysoké absorpce lze dosáhnout i v ultratenkých křemíkových vrstvách a parazitická kapacita obvodu může být udržována nízká, což je kritické ve vysokorychlostních systémech. Navrhovaná metoda je navíc kompatibilní s moderními výrobními procesy CMOS, a proto má potenciál revolucionizovat způsob, jakým je optoelektronika integrována do tradičních obvodů. To by zase mohlo připravit cestu pro podstatné skoky v cenově dostupných ultrarychlých počítačových sítích a zobrazovacích technologiích.