Nova tehnologija odtanki silicijski fotodetektor
Strukture za hvatanje fotona koriste se za poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankimsilicijski fotodetektori
Fotonski sustavi brzo dobivaju na popularnosti u mnogim novim primjenama, uključujući optičke komunikacije, liDAR senzore i medicinsko snimanje. Međutim, široko rasprostranjena primjena fotonike u budućim inženjerskim rješenjima ovisi o troškovima proizvodnje.fotodetektori, što pak uvelike ovisi o vrsti poluvodiča koji se koristi u tu svrhu.
Tradicionalno, silicij (Si) je bio najprisutniji poluvodič u elektroničkoj industriji, toliko da je većina industrija sazrela oko ovog materijala. Nažalost, Si ima relativno slab koeficijent apsorpcije svjetlosti u bliskom infracrvenom (NIR) spektru u usporedbi s drugim poluvodičima poput galij arsenida (GaAs). Zbog toga, GaAs i srodne legure napreduju u fotonskim primjenama, ali nisu kompatibilne s tradicionalnim komplementarnim metal-oksid poluvodičkim (CMOS) procesima koji se koriste u proizvodnji većine elektronike. To je dovelo do naglog povećanja njihovih proizvodnih troškova.
Istraživači su osmislili način za značajno poboljšanje apsorpcije bliskog infracrvenog zračenja u siliciju, što bi moglo dovesti do smanjenja troškova visokoučinkovitih fotonskih uređaja, a istraživački tim UC Davisa pionirski je u novoj strategiji za značajno poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankim silicijskim filmovima. U svom najnovijem radu na Advanced Photonics Nexusu, prvi put demonstriraju eksperimentalnu demonstraciju fotodetektora na bazi silicija s mikro- i nano-površinskim strukturama koje hvataju svjetlost, postižući neviđena poboljšanja performansi usporediva s GaAs i drugim poluvodičima III-V skupine. Fotodetektor se sastoji od cilindrične silicijske ploče mikronske debljine postavljene na izolacijsku podlogu, s metalnim "prstima" koji se protežu u obliku vilice od kontaktnog metala na vrhu ploče. Važno je napomenuti da je grudasti silicij ispunjen kružnim rupama raspoređenim u periodičnom uzorku koje djeluju kao mjesta za hvatanje fotona. Ukupna struktura uređaja uzrokuje da se normalno upadna svjetlost savija za gotovo 90° kada udari u površinu, omogućujući joj bočno širenje duž Si ravnine. Ovi lateralni načini širenja povećavaju duljinu putovanja svjetlosti i učinkovito je usporavaju, što dovodi do više interakcija svjetlosti i materije i time povećane apsorpcije.
Istraživači su također proveli optičke simulacije i teorijske analize kako bi bolje razumjeli učinke struktura za hvatanje fotona te su proveli nekoliko eksperimenata uspoređujući fotodetektore sa i bez njih. Otkrili su da hvatanje fotona dovodi do značajnog poboljšanja učinkovitosti širokopojasne apsorpcije u NIR spektru, ostajući iznad 68% s vrhom od 86%. Vrijedi napomenuti da je u bliskom infracrvenom pojasu koeficijent apsorpcije fotodetektora za hvatanje fotona nekoliko puta veći od onog kod običnog silicija, premašujući galijev arsenid. Osim toga, iako je predloženi dizajn za silicijske ploče debljine 1 μm, simulacije silicijskih filmova debljine 30 nm i 100 nm kompatibilnih s CMOS elektronikom pokazuju slične poboljšane performanse.
Sveukupno, rezultati ove studije pokazuju obećavajuću strategiju za poboljšanje performansi fotodetektora na bazi silicija u novim fotoničkim primjenama. Visoka apsorpcija može se postići čak i u ultratankim slojevima silicija, a parazitski kapacitet sklopa može se održati niskim, što je ključno u sustavima velike brzine. Osim toga, predložena metoda je kompatibilna s modernim CMOS proizvodnim procesima i stoga ima potencijal revolucionirati način na koji se optoelektronika integrira u tradicionalne sklopove. To bi pak moglo utrti put značajnim skokovima u pristupačnim ultrabrzim računalnim mrežama i tehnologiji snimanja.
Vrijeme objave: 12. studenog 2024.