Ny teknologi aftynd silicium fotodetektor
Fotonfangststrukturer bruges til at forbedre lysabsorptionen i tyndesilicium fotodetektorer
Fotoniske systemer vinder hurtigt indpas i mange nye applikationer, herunder optisk kommunikation, liDAR-sensing og medicinsk billeddannelse. Men den udbredte anvendelse af fotonik i fremtidige tekniske løsninger afhænger af produktionsomkostningernefotodetektorer, hvilket igen i høj grad afhænger af typen af halvleder, der anvendes til det formål.
Traditionelt har silicium (Si) været den mest allestedsnærværende halvleder i elektronikindustrien, så meget, at de fleste industrier er modnet omkring dette materiale. Desværre har Si en relativt svag lysabsorptionskoefficient i det nær-infrarøde (NIR) spektrum sammenlignet med andre halvledere såsom galliumarsenid (GaAs). På grund af dette trives GaAs og beslægtede legeringer i fotoniske applikationer, men er ikke kompatible med de traditionelle komplementære metaloxid-halvlederprocesser (CMOS), der bruges i produktionen af det meste elektronik. Dette førte til en kraftig stigning i deres produktionsomkostninger.
Forskere har udtænkt en måde at i høj grad forbedre nær-infrarød absorption i silicium, hvilket kan føre til omkostningsreduktioner i højtydende fotoniske enheder, og et UC Davis forskerhold er banebrydende med en ny strategi for i høj grad at forbedre lysabsorptionen i tynde siliciumfilm. I deres seneste papir på Advanced Photonics Nexus demonstrerer de for første gang en eksperimentel demonstration af en siliciumbaseret fotodetektor med lysfangende mikro- og nanooverfladestrukturer, der opnår hidtil usete præstationsforbedringer, der kan sammenlignes med GaAs og andre III-V gruppe halvledere . Fotodetektoren består af en mikron-tyk cylindrisk siliciumplade placeret på et isolerende substrat, med metal-"fingre", der strækker sig på en finger-gaffel-måde fra kontaktmetallet øverst på pladen. Det er vigtigt, at det klumpede silicium er fyldt med cirkulære huller arrangeret i et periodisk mønster, der fungerer som fotonfangststeder. Enhedens overordnede struktur får det normalt indfaldende lys til at bøje sig med næsten 90°, når det rammer overfladen, hvilket tillader det at forplante sig sideværts langs Si-planet. Disse laterale udbredelsestilstande øger længden af lysets vandring og bremser det effektivt, hvilket fører til flere lys-stof-interaktioner og dermed øget absorption.
Forskerne udførte også optiske simuleringer og teoretiske analyser for bedre at forstå virkningerne af fotonfangststrukturer og udførte adskillige eksperimenter, der sammenlignede fotodetektorer med og uden dem. De fandt ud af, at fotonfangst førte til en signifikant forbedring af bredbåndsabsorptionseffektiviteten i NIR-spektret, idet de holdt sig over 68 % med en top på 86 %. Det er værd at bemærke, at i det nære infrarøde bånd er absorptionskoefficienten for fotonfangst-fotodetektoren flere gange højere end for almindeligt silicium, hvilket overstiger galliumarsenid. Selvom det foreslåede design er til 1μm tykke siliciumplader, viser simuleringer af 30 nm og 100 nm siliciumfilm, der er kompatible med CMOS-elektronik, tilsvarende forbedret ydeevne.
Samlet set viser resultaterne af denne undersøgelse en lovende strategi til at forbedre ydeevnen af siliciumbaserede fotodetektorer i nye fotonikapplikationer. Høj absorption kan opnås selv i ultratynde siliciumlag, og kredsløbets parasitære kapacitans kan holdes lav, hvilket er kritisk i højhastighedssystemer. Derudover er den foreslåede metode kompatibel med moderne CMOS-fremstillingsprocesser og har derfor potentialet til at revolutionere den måde, optoelektronik integreres i traditionelle kredsløb. Dette kan til gengæld bane vejen for væsentlige spring inden for overkommelige ultrahurtige computernetværk og billedteknologi.
Indlægstid: 12-november 2024