Ny teknologi aftynd silicium fotodetektor
Fotonindfangningsstrukturer bruges til at forbedre lysabsorption i tyndesilicium fotodetektorer
Fotoniske systemer vinder hurtigt frem i mange nye applikationer, herunder optisk kommunikation, liDAR-sensorer og medicinsk billeddannelse. Den udbredte anvendelse af fotonik i fremtidige tekniske løsninger afhænger dog af produktionsomkostningerne.fotodetektorer, hvilket igen i høj grad afhænger af den type halvleder, der anvendes til formålet.
Traditionelt har silicium (Si) været den mest udbredte halvleder i elektronikindustrien, i en sådan grad, at de fleste industrier er modnet omkring dette materiale. Desværre har Si en relativt svag lysabsorptionskoefficient i det nære infrarøde (NIR) spektrum sammenlignet med andre halvledere såsom galliumarsenid (GaAs). På grund af dette trives GaAs og relaterede legeringer i fotoniske anvendelser, men er ikke kompatible med de traditionelle komplementære metaloxid-halvlederprocesser (CMOS), der anvendes i produktionen af det meste elektronik. Dette førte til en kraftig stigning i deres produktionsomkostninger.
Forskere har udtænkt en metode til at forbedre absorptionen af nær-infrarød stråling i silicium betydeligt, hvilket kan føre til omkostningsreduktioner i højtydende fotoniske enheder, og et forskerhold fra UC Davis er banebrydende inden for en ny strategi til at forbedre lysabsorptionen i siliciumtyndfilm betydeligt. I deres seneste artikel 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 forbedringer i ydeevnen sammenlignelig med GaAs og andre halvledere i III-V-gruppen. Fotodetektoren består af en mikrontyk cylindrisk siliciumplade placeret på et isolerende substrat med metal-"fingre", der strækker sig i en fingergaffelform fra kontaktmetallet øverst på pladen. Det er vigtigt at bemærke, at det klumpede silicium er fyldt med cirkulære huller arrangeret i et periodisk mønster, der fungerer som fotonindfangningssteder. Enhedens overordnede struktur får det normalt indfaldende lys til at bøje næsten 90°, når det rammer overfladen, hvilket gør det muligt for det at udbrede sig lateralt langs Si-planet. Disse laterale udbredelsesformer øger lysets rejselængde 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 fotonindfangningsstrukturer og udførte adskillige eksperimenter, der sammenlignede fotodetektorer med og uden dem. De fandt, at fotonindfangning førte til en betydelig forbedring af bredbåndsabsorptionseffektiviteten i NIR-spektret, der forblev over 68 % med en top på 86 %. Det er værd at bemærke, at i det nær-infrarøde bånd er absorptionskoefficienten for fotonindfangningsfotodetektoren flere gange højere end for almindeligt silicium og overstiger galliumarsenid. Derudover viser simuleringer af 30 nm og 100 nm siliciumfilm, der er kompatible med CMOS-elektronik, en lignende forbedret ydeevne, selvom det foreslåede design er til 1 μm tykke siliciumplader.
Samlet set viser resultaterne af denne undersøgelse en lovende strategi til at forbedre ydeevnen af siliciumbaserede fotodetektorer i nye fotoniske applikationer. 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 potentiale til at revolutionere den måde, optoelektronik integreres i traditionelle kredsløb. Dette kan igen bane vejen for betydelige spring inden for overkommelige ultrahurtige computernetværk og billeddannelsesteknologi.
Opslagstidspunkt: 12. november 2024