Нова технологија натенок силиконски фотодетектор
Структурите за фаќање фотони се користат за подобрување на апсорпцијата на светлината во теноксиликонски фотодетектори
Фотонските системи брзо добиваат на сила во многу нови апликации, вклучувајќи оптички комуникации, сензори за liDAR и медицински слики. Сепак, широкото усвојување на фотониката во идните инженерски решенија зависи од трошоците за производствофотодетектори, што пак во голема мера зависи од видот на полупроводникот што се користи за таа намена.
Традиционално, силиконот (Si) е најприсутниот полупроводник во електронската индустрија, толку многу што повеќето индустрии созревале околу овој материјал. За жал, Si има релативно слаб коефициент на апсорпција на светлина во блискиот инфрацрвен (NIR) спектар во споредба со другите полупроводници како што е галиум арсенид (GaAs). Поради ова, GaAs и сродните легури напредуваат во фотонските апликации, но не се компатибилни со традиционалните комплементарни процеси на метал-оксид полупроводнички (CMOS) кои се користат во производството на повеќето електроника. Ова доведе до нагло зголемување на нивните производствени трошоци.
Истражувачите смислиле начин за значително подобрување на апсорпцијата на силиконот блиску до инфрацрвена боја, што би можело да доведе до намалување на трошоците кај фотоничните уреди со високи перформанси, а истражувачки тим на UC Davis е пионер на нова стратегија за значително подобрување на апсорпцијата на светлината во силиконските тенки слоеви. Во нивниот последен труд во Advanced Photonics Nexus, тие за првпат демонстрираа експериментална демонстрација на фотодетектор базиран на силикон со микро-и нано-површински структури што зафаќаат светлина, постигнувајќи невидени подобрувања во перформансите споредливи со GaAs и други полупроводници од III-V група. . Фотодетекторот се состои од цилиндрична силиконска плоча со дебелина од микрон, поставена на изолациона подлога, со метални „прсти“ кои се протегаат во форма на вилушка со прст од контактниот метал на врвот на плочата. Поважно е тоа што груткиот силикон е исполнет со кружни дупки распоредени во периодична шема кои дејствуваат како места за фаќање фотони. Целокупната структура на уредот предизвикува вообичаено инцидентното светло да се свиткува за речиси 90° кога ќе удри во површината, овозможувајќи и да се шири странично по рамнината Si. Овие странични начини на ширење ја зголемуваат должината на патувањето на светлината и ефективно го забавуваат, што доведува до повеќе интеракции меѓу светлината и материја, а со тоа и зголемена апсорпција.
Истражувачите, исто така, спроведоа оптички симулации и теоретски анализи за подобро да ги разберат ефектите на структурите за фаќање фотони и спроведоа неколку експерименти споредувајќи ги фотодетекторите со и без нив. Тие открија дека фаќањето фотони доведе до значително подобрување на ефикасноста на апсорпција на широкопојасен интернет во NIR спектарот, останувајќи над 68% со врв од 86%. Вреди да се напомене дека во блискиот инфрацрвен опсег, коефициентот на апсорпција на фотодетекторот за фаќање фотони е неколку пати поголем од оној на обичниот силициум, надминувајќи го галиум арсенид. Покрај тоа, иако предложениот дизајн е за силиконски плочи со дебелина од 1μm, симулациите на силиконски филмови од 30 nm и 100 nm компатибилни со CMOS електрониката покажуваат слични подобрени перформанси.
Севкупно, резултатите од оваа студија покажуваат ветувачка стратегија за подобрување на перформансите на фотодетекторите базирани на силикон во новите апликации за фотоника. Може да се постигне висока апсорпција дури и во ултра тенки силиконски слоеви, а паразитската капацитивност на колото може да се одржува на ниско ниво, што е критично во системите со голема брзина. Покрај тоа, предложениот метод е компатибилен со современите процеси на производство на CMOS и затоа има потенцијал да го револуционизира начинот на кој оптоелектрониката се интегрира во традиционалните кола. Ова, пак, би можело да го отвори патот за значителни скокови во достапните ултрабрзи компјутерски мрежи и технологија за сликање.
Време на објавување: ноември-12-2024 година