Nová technológiatenký kremíkový fotodetektor
Štruktúry na zachytávanie fotónov sa používajú na zvýšenie absorpcie svetla v tenkýchkremíkové fotodetektory
Fotonické systémy si rýchlo získavajú popularitu v mnohých nových aplikáciách vrátane optickej komunikácie, snímania liDAR a lekárskeho zobrazovania. Rozšírené prijatie fotoniky v budúcich technických riešeniach však závisí od výrobných nákladov.fotodetektory, čo zase do značnej miery závisí od typu polovodiča použitého na tento účel.
Kremík (Si) bol tradične najrozšírenejším polovodičom v elektronickom priemysle, a to do takej miery, že väčšina priemyselných odvetví sa okolo tohto materiálu vyvinula. Bohužiaľ, Si má relatívne slabý koeficient absorpcie svetla v blízkom infračervenom (NIR) spektre v porovnaní s inými polovodičmi, ako je napríklad arzenid gália (GaAs). Z tohto dôvodu sa GaAs a súvisiace zliatiny tešia veľkej obľube vo fotonických aplikáciách, ale nie sú kompatibilné s tradičnými procesmi komplementárnych polovodičov kov-oxid (CMOS) používaných pri výrobe väčšiny elektroniky. To viedlo k prudkému nárastu ich výrobných nákladov.
Výskumníci vymysleli spôsob, ako výrazne zlepšiť absorpciu blízkeho 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 vrstvách. Vo svojom najnovšom článku na Advanced Photonics Nexus po prvýkrát demonštrujú experimentálnu demonštráciu fotodetektora na báze kremíka s mikro- a nano-povrchovými štruktúrami zachytávajúcimi svetlo, čím dosahujú bezprecedentné zlepšenie výkonu porovnateľné s GaAs a inými polovodičmi skupiny III-V. Fotodetektor pozostáva z mikrónovo hrubej valcovej kremíkovej platne umiestnenej na izolačnom substráte s kovovými „prstami“ vyčnievajúcimi z kontaktného kovu v hornej časti platne v tvare vidlice. Dôležité je, že hrudkovitý kremík je vyplnený kruhovými otvormi usporiadanými v periodickom vzore, ktoré slúžia ako miesta zachytávania fotónov. Celková štruktúra zariadenia spôsobuje, že normálne dopadajúce svetlo sa pri dopade na povrch ohne takmer o 90°, čo mu umožňuje šíriť sa laterálne pozdĺž roviny Si. Tieto režimy laterálneho šírenia predlžujú dĺžku dráhy svetla a efektívne ho spomaľujú, čo vedie k väčším interakciám svetla a hmoty, a tým k zvýšenej absorpcii.
Výskumníci tiež vykonali optické simulácie a teoretické analýzy, aby lepšie pochopili účinky štruktúr na zachytávanie fotónov, a vykonali niekoľko experimentov porovnávajúcich fotodetektory s nimi a bez nich. Zistili, že zachytávanie fotónov viedlo k významnému zlepšeniu účinnosti širokopásmovej absorpcie v spektre NIR, ktorá sa udržala nad 68 % s vrcholom 86 %. Stojí za zmienku, že v blízkom infračervenom pásme je absorpčný koeficient fotodetektora na zachytávanie fotónov niekoľkonásobne vyšší ako u bežného kremíka a prevyšuje arzenid gália. Okrem toho, hoci navrhovaná konštrukcia je pre kremíkové platne s hrúbkou 1 μm, simulácie kremíkových filmov s hrúbkou 30 nm a 100 nm kompatibilných s CMOS elektronikou vykazujú podobný vylepšený výkon.
Celkovo výsledky tejto štúdie demonštrujú sľubnú stratégiu na zlepšenie výkonu kremíkových fotodetektorov v nových fotonických aplikáciách. Vysokú absorpciu je možné dosiahnuť aj v ultratenkých kremíkových vrstvách a parazitnú kapacitu obvodu je možné udržiavať nízku, čo je kritické vo vysokorýchlostných systémoch. Navrhovaná metóda je navyše kompatibilná s modernými výrobnými procesmi CMOS, a preto má potenciál revolúciu v spôsobe integrácie optoelektroniky do tradičných obvodov. To by zase mohlo vydláždiť cestu pre podstatné skoky v cenovo dostupných ultrarýchlych počítačových sieťach a zobrazovacích technológiách.
Čas uverejnenia: 12. novembra 2024