Nova tehnologija tankog silikonskog fotodetektora

Nova tehnologija odtanki silicijski fotodetektor
Strukture za hvatanje fotona koriste se za povećanje apsorpcije svjetlosti u tankomsilicijski fotodetektori
Fotonski sustavi brzo dobivaju na snazi ​​u mnogim novim aplikacijama, uključujući optičke komunikacije, liDAR senzore i medicinske slike. Međutim, široka primjena fotonike u budućim inženjerskim rješenjima ovisi o troškovima proizvodnjefotodetektori, što zauzvrat 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 kao što je galijev arsenid (GaAs). Zbog toga GaAs i srodne legure napreduju u fotoničkim primjenama, ali nisu kompatibilni s tradicionalnim komplementarnim metal-oksidnim poluvodičkim (CMOS) procesima koji se koriste u proizvodnji većine elektronike. To je dovelo do naglog povećanja njihovih proizvodnih troškova.
Istraživači su osmislili način da značajno poboljšaju apsorpciju bliskog infracrvenog zračenja u siliciju, što bi moglo dovesti do smanjenja troškova fotoničkih uređaja visokih performansi, a istraživački tim UC Davisa uvodi novu strategiju za značajno poboljšanje apsorpcije svjetla u tankim filmovima silicija. U svom najnovijem radu na Advanced Photonics Nexusu, po 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 skupine III-V . Fotodetektor se sastoji od cilindrične silicijske ploče debljine mikrona postavljene na izolacijsku podlogu, s metalnim "prstima" koji se pružaju u obliku prsta-vilice od kontaktnog metala na vrhu ploče. Važno je da je kvrgavi silicij ispunjen kružnim rupama raspoređenim u periodičnom uzorku koje djeluju kao mjesta za hvatanje fotona. Cjelokupna struktura uređaja uzrokuje savijanje normalno upadne svjetlosti za gotovo 90° kada udari o površinu, dopuštajući joj da se širi bočno duž Si ravnine. Ovi bočni načini širenja povećavaju duljinu putovanja svjetlosti i učinkovito je usporavaju, što dovodi do veće interakcije svjetlosti i materije, a time i povećane apsorpcije.
Istraživači su također proveli optičke simulacije i teorijske analize kako bi bolje razumjeli učinke struktura za hvatanje fotona, te proveli nekoliko eksperimenata uspoređujući fotodetektore sa i bez njih. Otkrili su da je hvatanje fotona dovelo do značajnog poboljšanja učinkovitosti širokopojasne apsorpcije u NIR spektru, zadržavajući se iznad 68% s vrhom od 86%. Vrijedno je napomenuti da je u bliskom infracrvenom pojasu koeficijent apsorpcije fotodetektora za hvatanje fotona nekoliko puta veći od običnog silicija, premašujući galijev arsenid. Nadalje, iako je predloženi dizajn za silicijske ploče debljine 1 μm, simulacije silicijskih filmova od 30 nm i 100 nm kompatibilnih s CMOS elektronikom pokazuju slične poboljšane performanse.
Sve u svemu, rezultati ove studije pokazuju obećavajuću strategiju za poboljšanje performansi fotodetektora na bazi silicija u novonastalim fotoničkim aplikacijama. Visoka apsorpcija može se postići čak iu ultra-tankim slojevima silicija, a parazitni kapacitet kruga može se održavati niskim, što je kritično u sustavima velike brzine. Osim toga, predložena metoda je kompatibilna s modernim CMOS procesima proizvodnje i stoga ima potencijal revolucionirati način na koji se optoelektronika integrira u tradicionalne sklopove. To bi zauzvrat moglo utrti put znatnim skokovima u pristupačnim ultrabrzim računalnim mrežama i tehnologiji slikanja.