Ny teknologi avtynn silisium fotodetektor
Fotonfangststrukturer brukes til å forbedre lysabsorpsjonen i tynnesilisiumfotodetektorer
Fotoniske systemer vinner raskt fotfeste i mange nye applikasjoner, inkludert optisk kommunikasjon, liDAR-sensorer og medisinsk avbildning. Imidlertid avhenger den utbredte bruken av fotonikk i fremtidige tekniske løsninger av produksjonskostnadene.fotodetektorer, som igjen i stor grad avhenger av hvilken type halvleder som brukes til formålet.
Tradisjonelt har silisium (Si) vært den mest utbredte halvlederen i elektronikkindustrien, i en slik grad at de fleste industrier har modnet rundt dette materialet. Dessverre har Si en relativt svak lysabsorpsjonskoeffisient i det nære 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 de tradisjonelle komplementære metalloksidhalvleder (CMOS) prosessene som brukes i produksjonen av de fleste elektronikkprodukter. Dette førte til en kraftig økning i produksjonskostnadene.
Forskere har utviklet en måte å forbedre nær-infrarød absorpsjon i silisium betraktelig, noe som kan føre til kostnadsreduksjoner i høytytende fotoniske enheter, og et forskerteam ved UC Davis er pionerer innen en ny strategi for å forbedre lysabsorpsjonen i tynne silisiumfilmer betraktelig. I sin siste artikkel ved Advanced Photonics Nexus demonstrerer de for første gang en eksperimentell demonstrasjon av en silisiumbasert fotodetektor med lysfangende mikro- og nanooverflatestrukturer, og oppnår enestående ytelsesforbedringer sammenlignbare med GaAs og andre halvledere i III-V-gruppen. Fotodetektoren består av en mikrontykk sylindrisk silisiumplate plassert på et isolerende substrat, med metall"fingre" som strekker seg i en fingergaffelform fra kontaktmetallet øverst på platen. Viktigere er det at det klumpete silisiumet er fylt med sirkulære hull arrangert i et periodisk mønster som fungerer som fotonfangststeder. Den overordnede strukturen til enheten får det normalt innfallende lyset til å bøye seg nesten 90° når det treffer overflaten, slik at det kan forplante seg sidelengs langs Si-planet. Disse laterale forplantningsmodusene øker lysets reiselengde og bremser den effektivt, noe som fører til flere interaksjoner mellom lys og materie og dermed økt absorpsjon.
Forskerne utførte også optiske simuleringer og teoretiske analyser for å bedre forstå effektene av fotonfangststrukturer, og utførte 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 overgår galliumarsenid. I tillegg, selv om den foreslåtte designen er for 1 μm tykke silisiumplater, viser simuleringer av 30 nm og 100 nm silisiumfilmer som er kompatible med CMOS-elektronikk, lignende forbedret ytelse.
Samlet sett viser resultatene fra denne studien en lovende strategi for å forbedre ytelsen til silisiumbaserte fotodetektorer i nye fotoniske applikasjoner. 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 integreres i tradisjonelle kretser. Dette kan igjen bane vei for betydelige sprang innen rimelige ultrahurtige datanettverk og bildebehandlingsteknologi.
Publisert: 12. november 2024