Nová technológiatenký kremíkový fotodetektor
Štruktúry snímania fotónu sa používajú na zvýšenie absorpcie svetla v tenkýchkremíkové fotodetektory
Fotonické systémy rýchlo získavajú trakciu v mnohých vznikajúcich aplikáciách vrátane optickej komunikácie, snímania lidaru a lekárskeho zobrazovania. Rozsiahle prijatie fotoniky v budúcich inžinierskych riešeniach však závisí od nákladov na výrobufotodetektory, čo zase do veľkej miery závisí od typu polovodiča, ktorý sa používa na tento účel.
Silikón (SI) bol tradične najvýznamnejším polovodičom v elektronickom priemysle, natoľko, že väčšina priemyselných odvetví dozrela okolo tohto materiálu. Bohužiaľ, SI má relatívne slabý absorpčný koeficient svetla v blízkom infračervenom (NIR) spektre v porovnaní s inými polovodičmi, ako je gallium arzenid (GAAS). Z tohto dôvodu GAAS a súvisiace zliatiny prosperujú vo fotonických aplikáciách, ale nie sú kompatibilné s tradičnými doplnkovými procesmi polovodičov kovových oxidov (CMOS) používaných pri výrobe väčšiny elektroniky. To viedlo k prudkému zvýšeniu ich výrobných nákladov.
Vedci navrhli spôsob, ako výrazne vylepšiť absorpciu v blízkosti infračervenej absorpcie v kremíku, čo by mohlo viesť k zníženiu nákladov vo vysoko výkonných fotonických zariadeniach, a výskumný tím UC Davis je priekopníkom novej stratégie, aby výrazne zlepšil absorpciu svetla v kremíkových tenkých filmoch. Vo svojom najnovšom dokumente v Advanced Photonics Nexus prvýkrát demonštrujú experimentálnu demonštráciu fotodetektora založeného na kremíku s mikro-a nano-povrchovými štruktúrami, ktoré dosahujú bezprecedentné vylepšenia výkonnosti porovnateľné s GaAS a inými polovodičmi skupiny III-V. Fotodetektor pozostáva z valcovej kremíkovej doštičky s hrúbkou mikrónu umiestnenou na izolačnom substráte, s kovovými „prstami“ siahajúcimi v móde prstom z kontaktného kovu v hornej časti dosky. Dôležité je, že hrudný kremík je naplnený kruhovými otvormi usporiadanými v periodickom vzorke, ktorý pôsobí ako miesta zachytávania fotónov. Celková štruktúra zariadenia spôsobuje, že sa normálne dopadajúce svetlo ohýba o takmer 90 °, keď dopadne na povrch, čo mu umožňuje bočné šírenie pozdĺž roviny SI. Tieto režimy laterálneho šírenia zvyšujú dĺžku cestovania svetla a účinne ho spomaľujú, čo vedie k väčšiemu množstvu interakcií svetla, a tým zvýšenou absorpciou.
Vedci tiež vykonali optické simulácie a teoretické analýzy, aby lepšie porozumeli účinkom štruktúr zachytávania fotónov, a uskutočnili niekoľko experimentov porovnávajúcich fotodetektory s nimi a bez nich. Zistili, že zachytenie fotónu viedlo k významnému zlepšeniu účinnosti absorpcie širokopásmového pripojenia v spektre NIR, pričom zostalo nad 68% s vrcholom 86%. Je potrebné poznamenať, že v blízkom infračervenom pásme je absorpčný koeficient fotodetektora fotónov niekoľkokrát vyšší ako kolesa obyčajného kremíka, ktorý presahuje arzenid gallium. Okrem toho, hoci navrhovaný návrh je určený pre 1 μm hrubé kremíkové doštičky, simulácie 30 nm a 100 nm kremíkových filmov kompatibilných s elektronikou CMOS vykazujú podobný vylepšený výkon.
Výsledky tejto štúdie celkovo demonštrujú sľubnú stratégiu na zlepšenie výkonnosti fotodetektorov založených na kremíku v nových fotonických aplikáciách. Vysoká absorpcia sa dá dosiahnuť aj v ultratenných kremíkových vrstvách a parazitická kapacita obvodu môže byť udržiavaná nízka, čo je kritické v vysokorýchlostných systémoch. Navrhovaná metóda je okrem toho kompatibilná s modernými výrobnými procesmi CMOS, a preto má potenciál revolúciou v spôsobe, akým je optoelektronika integrovaná do tradičných obvodov. To by zase mohlo pripraviť cestu pre značné skoky v cenovo dostupných ultrarýchle počítačových sieťach a zobrazovacej technológii.
Čas príspevku: november 12-2024