Nova tehnologija odtanki silicijumski fotodetektor
Strukture za hvatanje fotona koriste se za poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankimsilicijumski fotodetektori
Fotonski sistemi brzo dobijaju na popularnosti u mnogim novim primjenama, uključujući optičke komunikacije, liDAR senzore i medicinsko snimanje. Međutim, široko rasprostranjena primjena fotonike u budućim inženjerskim rješenjima zavisi od troškova proizvodnje.fotodetektori, što pak uveliko zavisi od vrste poluprovodnika koji se koristi u tu svrhu.
Tradicionalno, silicijum (Si) je bio najprisutniji poluprovodnik u elektronskoj industriji, toliko da je većina industrija sazrela oko ovog materijala. Nažalost, Si ima relativno slab koeficijent apsorpcije svjetlosti u bliskom infracrvenom (NIR) spektru u poređenju sa drugim poluprovodnicima kao što je galijev arsenid (GaAs). Zbog toga, GaAs i srodne legure napreduju u fotonskim primjenama, ali nisu kompatibilne sa tradicionalnim komplementarnim metal-oksid poluprovodničkim (CMOS) procesima koji se koriste u proizvodnji većine elektronike. To je dovelo do naglog povećanja njihovih troškova proizvodnje.
Istraživači su osmislili način da značajno poboljšaju apsorpciju bliskog infracrvenog zračenja u silicijumu, što bi moglo dovesti do smanjenja troškova visokoperformansnih fotonskih uređaja, a istraživački tim sa UC Davisa je pionir u novoj strategiji za značajno poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankim filmovima silicija. U svom najnovijem radu na Advanced Photonics Nexusu, oni prvi put demonstriraju eksperimentalnu demonstraciju fotodetektora na bazi silicija sa mikro- i nano-površinskim strukturama koje hvataju svjetlost, postižući neviđena poboljšanja performansi uporediva sa GaAs i drugim poluprovodnicima III-V grupe. Fotodetektor se sastoji od cilindrične silicijumske ploče debljine mikrona postavljene na izolacionu podlogu, sa metalnim "prstima" koji se protežu u obliku viljuške od kontaktnog metala na vrhu ploče. Važno je napomenuti da je grudasti silicijum 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 skoro 90° kada udari u površinu, omogućavajući joj da se širi bočno duž Si ravni. Ovi lateralni načini širenja povećavaju dužinu putovanja svjetlosti i efektivno 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 efekte struktura za hvatanje fotona, te su proveli nekoliko eksperimenata upoređujući fotodetektore sa i bez njih. Otkrili su da hvatanje fotona dovodi do značajnog poboljšanja efikasnosti širokopojasne apsorpcije u NIR spektru, ostajući iznad 68% sa vrhom od 86%. Vrijedi napomenuti da je u bliskom infracrvenom pojasu koeficijent apsorpcije fotodetektora za hvatanje fotona nekoliko puta veći od običnog silicija, premašujući galijev arsenid. Osim toga, iako je predloženi dizajn za silicijumske ploče debljine 1 μm, simulacije silicijumskih filmova debljine 30 nm i 100 nm kompatibilnih sa 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 kola može se održati niskim, što je ključno u sistemima velike brzine. Osim toga, predložena metoda je kompatibilna sa modernim CMOS proizvodnim procesima i stoga ima potencijal da revolucionira način na koji se optoelektronika integriše u tradicionalna kola. To bi, zauzvrat, moglo utrti put značajnim skokovima u pristupačnim ultrabrzim računarskim mrežama i tehnologiji snimanja.
Vrijeme objave: 12. novembar 2024.