Nová technologietenký křemíkový fotodetektor
Struktury pro zachycení fotonů se používají ke zvýšení absorpce světla v tenkýchkřemíkové fotodetektory
Fotonické systémy si rychle získávají na popularitě v mnoha nově vznikajících aplikacích, včetně optické komunikace, liDAR snímání a lékařského zobrazování. Široké přijetí fotoniky v budoucích technických řešeních však závisí na výrobních nákladech.fotodetektory, což zase do značné míry závisí na typu polovodiče použitého pro daný účel.
Křemík (Si) byl tradičně nejrozšířenějším polovodičem v elektronickém průmyslu, a to natolik, že většina průmyslových odvětví se kolem tohoto materiálu vypracovala. Bohužel má Si relativně slabý koeficient absorpce světla v blízkém infračerveném (NIR) spektru ve srovnání s jinými polovodiči, jako je arsenid galia (GaAs). Z tohoto důvodu se GaAs a příbuzné slitiny prospívají ve fotonických aplikacích, ale nejsou kompatibilní s tradičními komplementárními procesy polovodičů kov-oxid (CMOS) používanými při výrobě většiny elektroniky. To vedlo k prudkému nárůstu jejich výrobních nákladů.
Výzkumníci vymysleli způsob, jak výrazně zlepšit absorpci blízkého infračerveného záření v křemíku, což by mohlo vést ke snížení nákladů na vysoce výkonná fotonická zařízení. Výzkumný tým UC Davis je průkopníkem nové strategie pro výrazné zlepšení absorpce světla v tenkých křemíkových vrstvách. Ve svém nejnovějším článku na Advanced Photonics Nexus poprvé demonstrují experimentální demonstraci fotodetektoru na bázi křemíku se světlo zachycujícími mikro- a nano-povrchovými strukturami, čímž dosahují bezprecedentního zlepšení výkonu srovnatelného s GaAs a dalšími polovodiči skupiny III-V. Fotodetektor se skládá z válcové křemíkové destičky o tloušťce mikronů umístěné na izolačním substrátu, s kovovými „prsty“ vyčnívajícími ve tvaru vidlice z kontaktního kovu v horní části destičky. Důležité je, že hrudkovitý křemík je vyplněn kruhovými otvory uspořádanými v periodickém vzoru, které fungují jako místa pro zachycení fotonů. Celková struktura zařízení způsobuje, že se normálně dopadající světlo při dopadu na povrch ohýbá téměř o 90°, což mu umožňuje šířit se laterálně podél roviny Si. Tyto režimy laterálního šíření prodlužují délku dráhy světla a efektivně ji zpomalují, což vede k větším interakcím světla a hmoty a tím ke zvýšené absorpci.
Výzkumníci také provedli optické simulace a teoretické analýzy, aby lépe pochopili účinky struktur pro záchyt fotonů, a provedli několik experimentů porovnávajících fotodetektory s nimi a bez nich. Zjistili, že záchyt fotonů vedl k významnému zlepšení účinnosti širokopásmové absorpce v blízkém infračerveném spektru, která se udržuje nad 68 % s vrcholem 86 %. Za zmínku stojí, že v blízkém infračerveném pásmu je absorpční koeficient fotodetektoru pro záchyt fotonů několikanásobně vyšší než u běžného křemíku a překračuje arsenid galia. Kromě toho, ačkoli je navrhovaná konstrukce určena pro křemíkové destičky o tloušťce 1 μm, simulace křemíkových filmů o tloušťce 30 nm a 100 nm kompatibilních s CMOS elektronikou vykazují podobně vylepšený výkon.
Celkově vzato, výsledky této studie ukazují slibnou strategii pro zlepšení výkonu fotodetektorů na bázi křemíku v nově vznikajících fotonických aplikacích. Vysoké absorpce lze dosáhnout i v ultratenkých vrstvách křemíku a parazitní kapacita obvodu může být udržována nízká, což je kritické u vysokorychlostních systémů. Navrhovaná metoda je navíc kompatibilní s moderními výrobními procesy CMOS, a proto má potenciál způsobit revoluci ve způsobu integrace optoelektroniky do tradičních obvodů. To by zase mohlo připravit cestu k podstatnému pokroku v cenově dostupných ultrarychlých počítačových sítích a zobrazovacích technologiích.
Čas zveřejnění: 12. listopadu 2024