Ny teknologi avtynn silisium fotodetektor
Fotonfangststrukturer brukes for å forbedre lysabsorpsjon i tynnesilisium fotodetektorer
Fotoniske systemer vinner raskt frem i mange nye applikasjoner, inkludert optisk kommunikasjon, liDAR-sensing og medisinsk bildebehandling. Imidlertid avhenger den utbredte bruken av fotonikk i fremtidige tekniske løsninger av produksjonskostnadenefotodetektorer, som igjen avhenger i stor grad av typen halvleder som brukes til det formålet.
Tradisjonelt har silisium (Si) vært den mest allestedsnærværende halvlederen i elektronikkindustrien, så mye 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 metalloksid-halvlederprosessene (CMOS) som brukes i produksjonen av det meste av elektronikk. Dette førte til en kraftig økning i deres produksjonskostnader.
Forskere har utviklet en måte å i stor grad forbedre nær-infrarød absorpsjon i silisium, noe som kan føre til kostnadsreduksjoner i høyytelses fotoniske enheter, og et forskningsteam fra UC Davis er banebrytende med en ny strategi for å forbedre lysabsorpsjonen i tynne silisiumfilmer. I deres siste artikkel på Advanced Photonics Nexus demonstrerer de for første gang en eksperimentell demonstrasjon av en silisiumbasert fotodetektor med lysfangende mikro- og nanooverflatestrukturer, som oppnår enestående ytelsesforbedringer som kan sammenlignes med GaAs og andre III-V gruppe halvledere . Fotodetektoren består av en mikrontykk sylindrisk silisiumplate plassert på et isolerende underlag, med metall-"fingre" som strekker seg på en finger-gaffel-måte fra kontaktmetallet på toppen av platen. Viktigere er at det klumpete silisiumet er fylt med sirkulære hull arrangert 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 det treffer overflaten, slik at det kan forplante seg sideveis langs Si-planet. Disse laterale forplantningsmodusene øker lengden på lysets vandring og reduserer den effektivt, noe som fører til flere lys-materie-interaksjoner og dermed økt absorpsjon.
Forskerne gjennomførte også optiske simuleringer og teoretiske analyser for bedre å forstå effekten 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 nære 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 som er kompatible med CMOS-elektronikk lignende forbedret ytelse.
Samlet sett viser resultatene av 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 integreres i tradisjonelle kretser. Dette kan igjen bane vei for betydelige sprang innen rimelige ultraraske datanettverk og bildeteknologi.
Innleggstid: 12-november 2024