Ny teknik avtunn kiselfotodetektor
Fotonupptagningsstrukturer används för att förbättra ljusabsorptionen i tunnkiselfotodetektorer
Fotoniska system får snabbt dragkraft i många nya applikationer, inklusive optisk kommunikation, Lidar -avkänning och medicinsk avbildning. Det utbredda antagandet av fotonik i framtida tekniska lösningar beror emellertid på tillverkningskostnadernafotodetektorer, som i sin tur beror till stor del på den typ av halvledare som används för det ändamålet.
Traditionellt har kisel (SI) varit den mest allestädes närvarande halvledaren inom elektronikindustrin, så mycket att de flesta branscher har mognat runt detta material. Tyvärr har SI en relativt svag ljusabsorptionskoefficient i det nära infraröda (NIR) spektrumet jämfört med andra halvledare såsom galliumarsenid (GAAS). På grund av detta trivs GaAS och relaterade legeringar i fotoniska applikationer men är inte kompatibla med de traditionella kompletterande metalloxid-halvledarprocesserna (CMOS) som används vid produktion av de flesta elektronik. Detta ledde till en kraftig ökning av deras tillverkningskostnader.
Forskare har utformat ett sätt att förbättra absorptionen nära infraröd i kisel, vilket kan leda till kostnadsminskningar i högpresterande fotoniska enheter, och ett UC Davis-forskargrupp är banbrytande en ny strategi för att förbättra ljusabsorptionen i kiseltunna filmer. I sin senaste tidning på Advanced Photonics Nexus demonstrerar de för första gången en experimentell demonstration av en kiselbaserad fotodetektor med lättfångande mikro- och nano-ytstrukturer, vilket uppnår en oöverträffade prestationsförbättringar som är jämförbara med GAA: er och andra III-V-grupps halvledare. Fotodetektorn består av en mikron tjock cylindrisk kiselplatta placerad på ett isolerande underlag, med metall "fingrar" som sträcker sig på ett fingerförstörningsmode från kontaktmetallen på toppen av plattan. Det är viktigt att det klumpiga kiselet är fyllt med cirkulära hål arrangerade i ett periodiskt mönster som fungerar som fotonupptagningsplatser. En övergripande struktur på enheten får det normalt infallande ljuset att böjas med nästan 90 ° när den träffar ytan, vilket gör att den kan föröka sig i sidled längs Si -planet. Dessa laterala förökningslägen ökar längden på ljusets resor och bromsar den effektivt, vilket leder till mer ljusmaterialinteraktioner och därmed ökad absorption.
Forskarna genomförde också optiska simuleringar och teoretiska analyser för att bättre förstå effekterna av fotonupptagningsstrukturer och genomförde flera experiment som jämför fotodetektorer med och utan dem. De fann att fotonfångst ledde till en betydande förbättring av bredbandsabsorptionseffektiviteten i NIR -spektrumet och stannade över 68% med en topp på 86%. Det är värt att notera att i det nära infraröda bandet är absorptionskoefficienten för fotonfångstfotodetektorn flera gånger högre än för vanligt kisel, vilket överstiger galliumarsenid. Även om den föreslagna designen är för 1 μm tjocka kiselplattor, visar simuleringar av 30 nm och 100 nm kiselfilmer kompatibla med CMOS -elektronik liknande förbättrad prestanda.
Sammantaget visar resultaten från denna studie en lovande strategi för att förbättra prestanda för kiselbaserade fotodetektorer i nya fotonikapplikationer. Hög absorption kan uppnås även i ultratunna kiselskikt, och kretsens parasitkapacitans kan hållas låg, vilket är kritiskt i höghastighetssystem. Dessutom är den föreslagna metoden kompatibel med moderna CMOS -tillverkningsprocesser och har därför potential att revolutionera hur optoelektronik integreras i traditionella kretsar. Detta i sin tur kan bana väg för betydande språng i prisvärda ultrafasta datornätverk och avbildningsteknik.
Inläggstid: november-12-2024