Нова технологија натенок силиконски фотодетектор
Структурите за зафаќање на фотони се користат за подобрување на апсорпцијата на светлина во тенкисиликонски фотодетектори
Фотонските системи брзо добиваат на популарност во многу нови апликации, вклучувајќи оптички комуникации, лиДАР сензори и медицинско снимање. Сепак, широкото усвојување на фотониката во идните инженерски решенија зависи од трошоците за производство.фотодетектори, што пак во голема мера зависи од типот на полупроводник што се користи за таа намена.
Традиционално, силициумот (Si) е најсеприсутниот полупроводник во електронската индустрија, толку многу што повеќето индустрии созреале околу овој материјал. За жал, Si има релативно слаб коефициент на апсорпција на светлина во блискиот инфрацрвен (NIR) спектар во споредба со други полупроводници како што е галиум арсенидот (GaAs). Поради ова, GaAs и сродните легури напредуваат во фотонските апликации, но не се компатибилни со традиционалните комплементарни метал-оксидни полупроводнички (CMOS) процеси што се користат во производството на повеќето електроники. Ова доведе до нагло зголемување на нивните трошоци за производство.
Истражувачите смислија начин за значително подобрување на апсорпцијата во близу инфрацрвениот спектар кај силициумот, што би можело да доведе до намалување на трошоците за високо-перформансни фотонски уреди, а истражувачки тим на Калифорнискиот универзитет во Дејвис е пионер во нова стратегија за значително подобрување на апсорпцијата на светлина кај тенки силиконски филмови. Во нивниот најнов труд на Advanced Photonics Nexus, тие за прв пат демонстрираат експериментална демонстрација на фотодетектор базиран на силициум со микро- и нано-површински структури што ја заробуваат светлината, 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“ што се протегаат во форма на вилушка од контактниот метал на врвот на плочата. Важно е да се напомене дека грутчестиот силициум е исполнет со кружни дупки распоредени во периодичен модел што дејствуваат како места за заробување на фотони. Целокупната структура на уредот предизвикува нормално инцидентната светлина да се свитка за речиси 90° кога ќе ја погоди површината, дозволувајќи ѝ да се шири странично по должината на Si рамнината. Овие латерални начини на ширење ја зголемуваат должината на патувањето на светлината и ефикасно ја забавуваат, што доведува до повеќе интеракции помеѓу светлината и материјата и со тоа зголемена апсорпција.
Истражувачите, исто така, спроведоа оптички симулации и теоретски анализи за подобро да ги разберат ефектите од структурите за заробување фотони и спроведоа неколку експерименти споредувајќи ги фотодетекторите со и без нив. Тие открија дека заробувањето фотони доведе до значително подобрување на ефикасноста на апсорпција на широкопојасен опсег 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 заробување фотони е неколку пати поголем од оној на обичниот силициум, надминувајќи го галиум арсенидот. Покрај тоа, иако предложениот дизајн е за силиконски плочи со дебелина од 1 μm, симулациите на силиконски филмови од 30 nm и 100 nm компатибилни со CMOS електроника покажуваат слични подобрени перформанси.
Генерално, резултатите од оваа студија покажуваат ветувачка стратегија за подобрување на перформансите на фотодетекторите базирани на силициум во новите фотонски апликации. Висока апсорпција може да се постигне дури и во ултратенки силиконски слоеви, а паразитскиот капацитет на колото може да се одржува низок, што е клучно кај системи со голема брзина. Покрај тоа, предложениот метод е компатибилен со модерните 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 прифатливите ултрабрзи компјутерски мрежи и технологијата за снимање.
Време на објавување: 12 ноември 2024 година