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 медицински изображения. Въпреки това, широкото приемане на фотониката в бъдещите инженерни решения зависи от производствените разходифотодетектори, което от своя страна зависи до голяма степен от вида на полупроводника, използван за тази цел.
Традиционно силицийът (Si) е бил най-разпространеният полупроводник в електронната индустрия, дотолкова, че повечето индустрии са узрели около този материал. За съжаление, Si има сравнително слаб коефициент на поглъщане на светлина в близкия инфрачервен (NIR) спектър в сравнение с други полупроводници като галиев арсенид (GaAs). Поради това GaAs и свързаните с него сплави процъфтяват във фотонни приложения, но не са съвместими с традиционните комплементарни металооксидни полупроводникови процеси (CMOS), използвани в производството на повечето електроника. Това доведе до рязко увеличение на производствените им разходи.
Изследователите са измислили начин за значително подобряване на поглъщането в близката инфрачервена област в силиция, което може да доведе до намаляване на разходите за високоефективни фотонни устройства, а изследователският екип на UC Davis е пионер в нова стратегия за значително подобряване на поглъщането на светлина в силициевите тънки филми. В последната си статия в Advanced Photonics Nexus те демонстрират за първи път експериментална демонстрация на базиран на силиций фотодетектор със светлинно улавящи микро- и нано-повърхностни структури, постигайки безпрецедентни подобрения на производителността, сравними с GaAs и други полупроводници от III-V група . Фотодетекторът се състои от цилиндрична силиконова плоча с микрона дебелина, поставена върху изолираща подложка, с метални „пръсти“, простиращи се като пръст-вилица от контактния метал в горната част на плочата. Важно е, че бучкият силиций е пълен с кръгли дупки, подредени в периодичен модел, които действат като места за улавяне на фотони. Цялостната структура на устройството кара нормално падащата светлина да се огъва с близо 90°, когато удари повърхността, позволявайки й да се разпространява странично по Si-равнината. Тези режими на странично разпространение увеличават дължината на пътуването на светлината и ефективно я забавят, което води до повече взаимодействия светлина-материя и по този начин увеличено поглъщане.
Изследователите също така проведоха оптични симулации и теоретични анализи, за да разберат по-добре ефектите от структурите за улавяне на фотони, и проведоха няколко експеримента, сравняващи фотодетектори със и без тях. Те откриха, че улавянето на фотони води до значително подобрение на ефективността на широколентова абсорбция в NIR спектъра, оставайки над 68% с пик от 86%. Струва си да се отбележи, че в близката инфрачервена лента коефициентът на поглъщане на фотодетектора за улавяне на фотони е няколко пъти по-висок от този на обикновения силиций, надвишавайки галиевия арсенид. В допълнение, въпреки че предложеният дизайн е за силициеви плочи с дебелина 1 μm, симулациите на 30 nm и 100 nm силициеви филми, съвместими с CMOS електроника, показват подобна подобрена производителност.
Като цяло, резултатите от това проучване демонстрират обещаваща стратегия за подобряване на производителността на базирани на силиций фотодетектори в нововъзникващи приложения на фотониката. Висока абсорбция може да бъде постигната дори в ултратънки силициеви слоеве, а паразитният капацитет на веригата може да се поддържа нисък, което е критично във високоскоростните системи. В допълнение, предложеният метод е съвместим със съвременните производствени процеси на CMOS и следователно има потенциала да революционизира начина, по който оптоелектрониката се интегрира в традиционните схеми. Това от своя страна може да проправи пътя за значителни скокове в достъпните ултрабързи компютърни мрежи и технологии за изображения.
Време на публикуване: 12 ноември 2024 г