Нова технология на тънък силициев фотодетектор

Нова технология натънък силициев фотодетектор
Структурите за улавяне на фотони се използват за подобряване на абсорбцията на светлина в тънкисилициеви фотодетектори
Фотонните системи бързо набират популярност в много нововъзникващи приложения, включително оптични комуникации, liDAR сензори и медицинско изобразяване. Широкото разпространение на фотониката в бъдещи инженерни решения обаче зависи от производствените разходи.фотодетектори, което от своя страна зависи до голяма степен от вида на полупроводника, използван за тази цел.
Традиционно, силицият (Si) е бил най-разпространеният полупроводник в електронната индустрия, дотолкова, че повечето индустрии са се развили около този материал. За съжаление, Si има относително слаб коефициент на поглъщане на светлина в близкия инфрачервен (NIR) спектър в сравнение с други полупроводници, като например галиев арсенид (GaAs). Поради това GaAs и свързаните с него сплави процъфтяват във фотонни приложения, но не са съвместими с традиционните комплементарни металооксидни полупроводникови (CMOS) процеси, използвани в производството на повечето електронни устройства. Това доведе до рязко увеличение на производствените им разходи.
Изследователи са разработили начин за значително подобряване на абсорбцията в близката инфрачервена област в силиций, което би могло да доведе до намаляване на разходите за високопроизводителни фотонни устройства, а изследователски екип от Калифорнийския университет в Дейвис е пионер в нова стратегия за значително подобряване на абсорбцията на светлина в тънки силициеви слоеве. В последната си статия в Advanced Photonics Nexus те демонстрират за първи път експериментална демонстрация на силициев фотодетектор с улавящи светлина микро- и нано-повърхностни структури, постигайки безпрецедентни подобрения в производителността, сравними с GaAs и други полупроводници от III-V група. Фотодетекторът се състои от цилиндрична силициева плоча с дебелина от микрон, поставена върху изолационен субстрат, с метални „пръсти“, простиращи се във формата на пръсти и вилки от контактния метал в горната част на плочата. Важно е, че бучките на силиций са запълнени с кръгли отвори, разположени в периодичен модел, които действат като места за улавяне на фотони. Цялостната структура на устройството кара нормално падащата светлина да се огъва на близо 90°, когато удари повърхността, което ѝ позволява да се разпространява странично по равнината на Si. Тези режими на странично разпространение увеличават дължината на пътя на светлината и ефективно я забавят, което води до повече взаимодействия между светлината и материята и по този начин до повишено поглъщане.
Изследователите също така проведоха оптични симулации и теоретични анализи, за да разберат по-добре ефектите на структурите за улавяне на фотони, и проведоха няколко експеримента, сравняващи фотодетектори със и без тях. Те установиха, че улавянето на фотони води до значително подобрение в ефективността на широколентова абсорбция в NIR спектъра, като остава над 68% с пик от 86%. Заслужава да се отбележи, че в близката инфрачервена лента коефициентът на абсорбция на фотодетектора за улавяне на фотони е няколко пъти по-висок от този на обикновения силиций, надвишавайки галиевия арсенид. Освен това, въпреки че предложеният дизайн е за силициеви плочи с дебелина 1 μm, симулациите на силициеви филми с дебелина 30 nm и 100 nm, съвместими с CMOS електроника, показват подобна подобрена производителност.
Като цяло, резултатите от това проучване демонстрират обещаваща стратегия за подобряване на производителността на силициеви фотодетектори в нововъзникващи приложения на фотониката. Висока абсорбция може да се постигне дори в ултратънки силициеви слоеве, а паразитният капацитет на веригата може да се поддържа нисък, което е критично за високоскоростните системи. Освен това, предложеният метод е съвместим със съвременните CMOS производствени процеси и следователно има потенциал да революционизира начина, по който оптоелектрониката се интегрира в традиционните схеми. Това от своя страна би могло да проправи пътя за значителни скокове в достъпните ултрабързи компютърни мрежи и технологиите за обработка на изображения.