Ny teknologi afTynd siliciumfotodetektor
Fotonoptagelsesstrukturer bruges til at forbedre lysabsorptionen i tyndSiliciumfotodetektorer
Fotoniske systemer vinder hurtigt trækkraft i mange nye applikationer, herunder optisk kommunikation, lidarfølelse og medicinsk billeddannelse. Imidlertid afhænger den udbredte vedtagelse af fotonik i fremtidige ingeniørløsninger af produktionsomkostningernefotodetektorer, som igen afhænger i vid udstrækning af den type halvleder, der bruges til dette formål.
Traditionelt har Silicon (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 den nær infrarøde (NIR) -spektrum sammenlignet med andre halvledere, såsom Gallium Arsenide (GAAS). På grund af dette trives GAA'er og relaterede legeringer i fotoniske applikationer, men er ikke kompatible med de traditionelle komplementære metaloxid-halvlederprocesser (CMOS), der bruges til produktion af mest elektronik. Dette førte til en kraftig stigning i deres produktionsomkostninger.
Forskere har udtænkt en måde at forbedre næsten infrarød absorption i silicium i høj grad, hvilket kan føre til omkostningsreduktioner i fotoniske enheder med høj ydeevne, og et UC Davis-forskerteam er banebrydende for en ny strategi for i høj grad at forbedre lysabsorptionen i siliciumtynde film. I deres seneste artikel på Advanced Photonics Nexus demonstrerer de for første gang en eksperimentel demonstration af en siliciumbaseret fotodetektor med lysfangende mikro- og nano-overfladestrukturer, der opnåede hidtil uset ydelsesforbedringer sammenlignelige med GAAS og andre III-V-gruppes halvførere. Fotodetektoren består af en mikron-tyk cylindrisk siliciumplade placeret på et isolerende underlag, med metal "fingre", der strækker sig i en fingergødmode 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 fotonoptagelsessteder. Enhedens samlede struktur får det normalt hændelseslys til at bøje sig med næsten 90 °, når den rammer overfladen, så den kan forplantes lateralt langs SI -planet. Disse laterale forplantningstilstande øger længden af lysets rejse og bremser den effektivt ned, hvilket fører til mere lysstofinteraktioner 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, at fotonfangst førte til en signifikant forbedring af bredbåndsabsorptionseffektiviteten i NIR -spektret, idet de forbliver over 68% med en top på 86%. Det er værd at bemærke, at i det nær infrarøde bånd er absorptionskoefficienten for fotonoptagelsesfotodetektoren flere gange højere end for almindeligt silicium, der overskrider 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, lignende forbedret ydelse.
Generelt demonstrerer resultaterne af denne undersøgelse en lovende strategi til forbedring af ydelsen af siliciumbaserede fotodetektorer i nye fotonikapplikationer. Høj absorption kan opnås, selv i ultratynde siliciumlag, og kredsløbets parasitiske 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 er integreret i traditionelle kredsløb. Dette kunne igen bane vejen for betydelige spring i overkommelige ultrahastiske computernetværk og billeddannelsesteknologi.
Posttid: Nov-12-2024