Nova tehnologija tankog silicijumskog fotodetektora

Nova tehnologija odtanki silicijum fotodetektor
Strukture za hvatanje fotona koriste se za poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankom slojusilicijumski fotodetektori
Fotonski sistemi brzo dobijaju na snazi ​​u mnogim novim aplikacijama, uključujući optičke komunikacije, liDAR sensing i medicinsko snimanje. Međutim, široko usvajanje fotonike u budućim inženjerskim rješenjima ovisi o cijeni proizvodnjefotodetektori, što zauzvrat u velikoj mjeri ovisi o vrsti poluvodiča 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 svetlosti u bliskom infracrvenom (NIR) spektru u poređenju sa drugim poluprovodnicima kao što je galijum arsenid (GaAs). Zbog toga, GaAs i srodne legure napreduju u fotonskim aplikacijama, ali nisu kompatibilne s tradicionalnim komplementarnim metal-oksidnim poluvodičkim procesima (CMOS) koji se koriste u proizvodnji većine elektronike. To je dovelo do naglog povećanja njihovih proizvodnih troškova.
Istraživači su osmislili način da značajno poboljšaju apsorpciju bliske infracrvene svjetlosti u silicijumu, što bi moglo dovesti do smanjenja troškova fotonskih uređaja visokih performansi, a istraživački tim UC Davis uvodi novu strategiju za značajno poboljšanje apsorpcije svjetlosti u tankim silikonskim filmovima. U svom najnovijem radu na Advanced Photonics Nexus, oni po prvi put demonstriraju eksperimentalnu demonstraciju fotodetektora baziranog na silicijumu 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 silikonske ploče debljine mikrona postavljene na izolacijsku podlogu, s metalnim „prstima“ koji se protežu na način prst-vilica od kontaktnog metala na vrhu ploče. Važno je da je grudasti silicijum ispunjen kružnim rupama raspoređenim u periodičnom obrascu koje deluju kao mesta za hvatanje fotona. Ukupna struktura uređaja uzrokuje da se normalno upadno svjetlo savija za skoro 90° kada udari u površinu, omogućavajući joj da se širi bočno duž ravni Si. Ovi načini bočnog širenja povećavaju dužinu putovanja svjetlosti i efektivno je usporavaju, što dovodi do više interakcija svjetlosti i materije, a time i do povećane apsorpcije.
Istraživači su također proveli optičke simulacije i teorijske analize kako bi bolje razumjeli efekte struktura za hvatanje fotona i izveli nekoliko eksperimenata upoređujući fotodetektore sa i bez njih. Otkrili su da je hvatanje fotona dovelo do značajnog poboljšanja efikasnosti širokopojasne apsorpcije u NIR spektru, ostajući iznad 68% sa maksimumom od 86%. Vrijedi napomenuti da je u bliskom infracrvenom pojasu koeficijent apsorpcije fotodetektora za hvatanje fotona nekoliko puta veći od onog kod običnog silicija, što premašuje galij arsenid. Osim toga, iako je predloženi dizajn za silikonske ploče debljine 1 μm, simulacije silikonskih filmova od 30 nm i 100 nm kompatibilnih sa CMOS elektronikom pokazuju slične poboljšane performanse.
Sve u svemu, rezultati ove studije pokazuju obećavajuću strategiju za poboljšanje performansi fotodetektora na bazi silicijuma u novim fotoničkim aplikacijama. Visoka apsorpcija se može postići čak i u ultra tankim slojevima silikona, a parazitski kapacitet kola se može održavati niskim, što je kritično u sistemima velike brzine. Osim toga, predložena metoda je kompatibilna sa modernim CMOS proizvodnim procesima i stoga ima potencijal da revolucionira način na koji je optoelektronika integrirana u tradicionalna kola. Ovo bi, zauzvrat, moglo utrti put za značajne skokove u pristupačnim ultrabrzim kompjuterskim mrežama i tehnologiji snimanja.