Ny teknologi av tynn silisiumfotodetektor

Ny teknologi avTynn silisiumfotodetektor
Fotonfangststrukturer brukes til å forbedre lysabsorpsjonen i tynnSilisiumfotodetektorer
Fotoniske systemer får raskt trekkraft i mange nye applikasjoner, inkludert optisk kommunikasjon, lidar sensing og medisinsk avbildning. Imidlertid avhenger den utbredte adopsjonen av fotonikk i fremtidige ingeniørløsninger av kostnadene for produksjonFotodetektorer, som igjen i stor grad avhenger av den type halvleder som brukes til det formålet.
Tradisjonelt har silisium (SI) vært den mest allestedsnærværende halvleder i elektronikkindustrien, så mye at de fleste bransjer har modnet rundt dette materialet. Dessverre har SI en relativt svak lysabsorpsjonskoeffisient i det nær infrarøde (NIR) spekteret sammenlignet med andre halvledere som galliumarsenid (GAAs). På grunn av dette trives GAAS og relaterte legeringer i fotoniske applikasjoner, men er ikke kompatible med den tradisjonelle komplementære metall-oksid-halvleder (CMOS) prosesser som ble brukt i produksjonen av mest elektronikk. Dette førte til en kraftig økning i deres produksjonskostnader.
Forskere har tenkt en måte å forbedre nær-infrarød absorpsjon i silisium, noe som kan føre til kostnadsreduksjoner i fotoniske enheter med høy ytelse, og et UC Davis-forskerteam er banebrytende for en ny strategi for å forbedre lysabsorpsjonen i silisiumtynne filmer. I sin siste artikkel på Advanced Photonics Nexus, demonstrerer de for første gang en eksperimentell demonstrasjon av en silisiumbasert fotodetektor med lysfangstmikro-og nano-overflate-strukturer, og oppnår enestående ytelsesforbedringer som kan sammenlignes med GAA og andre III-V-gruppe-halvledere. Fotodetektoren består av en mikron tykk sylindrisk silisiumplate plassert på et isolasjonssubstrat, med metall "fingre" som strekker seg på en fingergaffende måte fra kontaktmetallet øverst på platen. Det er viktig at det klumpete silisiumet er fylt med sirkulære hull anordnet i et periodisk mønster som fungerer som fotonfangststeder. Den generelle strukturen til enheten får det normalt innfallende lyset til å bøye seg med nesten 90 ° når den treffer overflaten, slik at den kan forplante seg sideveis langs SI -planet. Disse laterale forplantningsmodusene øker lengden på lysets reise og reduserer den effektivt, noe som fører til mer lysstoffinteraksjoner og økt dermed økt absorpsjon.
Forskerne gjennomførte også optiske simuleringer og teoretiske analyser for bedre å forstå effekten av fotonfangststrukturer, og gjennomførte flere eksperimenter som sammenlignet fotodetektorer med og uten dem. De fant at fotonfangst førte til en betydelig forbedring i bredbåndsabsorpsjonseffektiviteten i NIR -spekteret, og holdt seg over 68% med en topp på 86%. Det er verdt å merke seg at i det nær infrarøde båndet er absorpsjonskoeffisienten til fotonfangstfotodetektoren flere ganger høyere enn for vanlig silisium, og overstiger galliumarsenid. I tillegg, selv om den foreslåtte designen er for 1μm tykke silisiumplater, viser simuleringer av 30 nm og 100 nm silisiumfilmer kompatible med CMOS -elektronikk lignende forbedret ytelse.
Totalt sett viser resultatene fra denne studien en lovende strategi for å forbedre ytelsen til silisiumbaserte fotodetektorer i nye fotonikkapplikasjoner. Høy absorpsjon kan oppnås selv i ultratynne silisiumlag, og kretsens parasittiske kapasitans kan holdes lav, noe som er kritisk i høyhastighetssystemer. I tillegg er den foreslåtte metoden kompatibel med moderne CMOS -produksjonsprosesser og har derfor potensial til å revolusjonere måten optoelektronikk er integrert i tradisjonelle kretsløp. Dette kan på sin side bane vei for betydelige sprang i rimelige ultrahastige datanettverk og bildeteknologi.