Nová technológiatenký kremíkový fotodetektor
Štruktúry na zachytávanie fotónov sa používajú na zvýšenie absorpcie svetla v tenkomkremíkové fotodetektory
Fotonické systémy rýchlo získavajú trakciu v mnohých nových aplikáciách vrátane optickej komunikácie, snímania liDAR a medicínskeho zobrazovania. Rozšírené prijatie fotoniky v budúcich inžinierskych riešeniach však závisí od výrobných nákladovfotodetektory, čo zase do značnej miery závisí od typu polovodiča použitého na tento účel.
Tradične je kremík (Si) najrozšírenejším polovodičom v elektronickom priemysle natoľko, že väčšina priemyselných odvetví dozrela okolo tohto materiálu. Bohužiaľ, Si má relatívne slabý koeficient absorpcie svetla v blízkom infračervenom (NIR) spektre v porovnaní s inými polovodičmi, ako je arzenid gália (GaAs). Z tohto dôvodu sa GaA a príbuzným zliatinám darí vo fotonických aplikáciách, ale nie sú kompatibilné s tradičnými procesmi komplementárnych polovodičov s oxidom kovov (CMOS), ktoré sa používajú pri výrobe väčšiny elektroniky. To viedlo k prudkému zvýšeniu ich výrobných nákladov.
Výskumníci navrhli spôsob, ako výrazne zvýšiť absorpciu v blízkosti infračerveného žiarenia v kremíku, čo by mohlo viesť k zníženiu nákladov na vysokovýkonné fotonické zariadenia, a výskumný tím UC Davis je priekopníkom novej stratégie na výrazné zlepšenie absorpcie svetla v tenkých kremíkových filmoch. Vo svojom najnovšom príspevku na Advanced Photonics Nexus po prvýkrát demonštrujú experimentálnu demonštráciu fotodetektora na báze kremíka s mikro- a nano-povrchovými štruktúrami zachytávajúcimi svetlo, čím dosahujú bezprecedentné zlepšenia výkonu porovnateľné s GaAs a inými polovodičmi skupiny III-V. . Fotodetektor pozostáva z mikrónovej hrubej valcovej silikónovej platne umiestnenej na izolačnom substráte s kovovými „prstami“ vyčnievajúcimi z kontaktného kovu v hornej časti platne v tvare vidličky. Dôležité je, že hrudkovitý kremík je vyplnený kruhovými otvormi usporiadanými v periodickom vzore, ktoré fungujú ako miesta zachytávania fotónov. Celková štruktúra zariadenia spôsobuje, že normálne dopadajúce svetlo sa pri dopade na povrch ohne o takmer 90°, čo mu umožňuje šíriť sa priečne pozdĺž Si roviny. Tieto režimy bočného šírenia zväčšujú dĺžku cesty svetla a účinne ho spomaľujú, čo vedie k väčšiemu množstvu interakcií svetlo-hmota, a teda k zvýšenej absorpcii.
Výskumníci tiež vykonali optické simulácie a teoretické analýzy, aby lepšie pochopili účinky štruktúr zachytávania fotónov, a vykonali niekoľko experimentov porovnávajúcich fotodetektory s nimi a bez nich. Zistili, že zachytávanie fotónov viedlo k výraznému zlepšeniu účinnosti širokopásmovej absorpcie v spektre NIR, pričom zostalo nad 68 % s vrcholom 86 %. Stojí za zmienku, že v blízkom infračervenom pásme je absorpčný koeficient fotodetektora na zachytávanie fotónov niekoľkonásobne vyšší ako koeficient obyčajného kremíka a prevyšuje arzenid gália. Okrem toho, hoci navrhovaný dizajn je pre kremíkové platne s hrúbkou 1 μm, simulácie 30 nm a 100 nm kremíkových filmov kompatibilných s elektronikou CMOS vykazujú podobný zvýšený výkon.
Celkovo výsledky tejto štúdie demonštrujú sľubnú stratégiu na zlepšenie výkonu fotodetektorov na báze kremíka v nových fotonických aplikáciách. Vysoká absorpcia môže byť dosiahnutá aj v ultratenkých kremíkových vrstvách a parazitná kapacita obvodu môže byť udržiavaná na nízkej úrovni, čo je kritické vo vysokorýchlostných systémoch. Okrem toho je navrhovaná metóda kompatibilná s modernými výrobnými procesmi CMOS, a preto má potenciál spôsobiť revolúciu v spôsobe integrácie optoelektroniky do tradičných obvodov. To by zase mohlo pripraviť pôdu pre podstatné skoky v cenovo dostupných ultrarýchlych počítačových sieťach a zobrazovacej technológii.
Čas uverejnenia: 12. novembra 2024