Nová technologietenký silikonový fotodetektor
Fotonové záchytné struktury se používají ke zvýšení absorpce světla v tenkémkřemíkové fotodetektory
Fotonické systémy rychle získávají na síle v mnoha nových aplikacích, včetně optických komunikací, snímání liDAR a lékařského zobrazování. Široké přijetí fotoniky v budoucích technických řešeních však závisí na výrobních nákladechfotodetektory, což zase do značné míry závisí na typu polovodiče použitého pro tento účel.
Tradičně byl křemík (Si) nejrozšířenějším polovodičem v elektronickém průmyslu, a to natolik, že většina průmyslových odvětví vyspěla kolem tohoto materiálu. Bohužel Si má relativně slabý koeficient absorpce světla v blízkém infračerveném (NIR) spektru ve srovnání s jinými polovodiči, jako je arsenid galia (GaAs). Z tohoto důvodu se GaA a příbuzné slitiny daří ve fotonických aplikacích, ale nejsou kompatibilní s tradičními procesy komplementárních polovodičů z oxidu kovu (CMOS) používanými při výrobě většiny elektroniky. To vedlo k prudkému nárůstu jejich výrobních nákladů.
Výzkumníci vymysleli způsob, jak výrazně zvýšit absorpci v blízké infračervené oblasti v křemíku, což by mohlo vést ke snížení nákladů na vysoce výkonná fotonická zařízení, a výzkumný tým UC Davis je průkopníkem nové strategie, jak výrazně zlepšit absorpci světla v tenkých křemíkových filmech. Ve svém nejnovějším příspěvku na Advanced Photonics Nexus poprvé demonstrují experimentální demonstraci fotodetektoru na bázi křemíku s mikro- a nano-povrchovými strukturami zachycujícími světlo, čímž dosáhli bezprecedentního zlepšení výkonu srovnatelného s GaAs a dalšími polovodiči skupiny III-V. . Fotodetektor se skládá z válcové silikonové desky o tloušťce mikronů umístěné na izolačním substrátu s kovovými „prsty“ vyčnívajícími ve tvaru prst-vidlička z kontaktního kovu v horní části desky. Důležité je, že hrudkovitý křemík je vyplněn kruhovými otvory uspořádanými v periodickém vzoru, které fungují jako místa zachycení fotonů. Celková struktura zařízení způsobuje, že se normálně dopadající světlo při dopadu na povrch ohne o téměř 90°, což mu umožňuje šířit se laterálně podél Si roviny. Tyto režimy laterálního šíření prodlužují délku cesty světla a účinně jej zpomalují, což vede k většímu počtu interakcí světla a hmoty, a tím ke zvýšené absorpci.
Výzkumníci také provedli optické simulace a teoretické analýzy, aby lépe porozuměli účinkům struktur zachycení fotonů, a provedli několik experimentů srovnávajících fotodetektory s nimi a bez nich. Zjistili, že zachycení fotonů vedlo k významnému zlepšení účinnosti širokopásmové absorpce v NIR spektru, přičemž zůstalo nad 68 % s vrcholem 86 %. Stojí za zmínku, že v blízkém infračerveném pásmu je absorpční koeficient fotodetektoru záchytu fotonů několikanásobně vyšší než u běžného křemíku, převyšuje arsenid galia. Kromě toho, ačkoli navrhovaný design je pro 1 μm silné křemíkové desky, simulace 30 nm a 100 nm křemíkových filmů kompatibilních s elektronikou CMOS vykazují podobný zvýšený výkon.
Celkově výsledky této studie ukazují slibnou strategii pro zlepšení výkonu fotodetektorů na bázi křemíku ve vznikajících aplikacích fotoniky. Vysoké absorpce lze dosáhnout i v ultratenkých křemíkových vrstvách a parazitní kapacita obvodu může být udržována nízká, což je u vysokorychlostních systémů kritické. Kromě toho je navrhovaná metoda 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 podstatným skokům v cenově dostupných ultrarychlých počítačových sítích a zobrazovacích technologiích.
Čas odeslání: 12. listopadu 2024