Ny teknik avtunn kisel fotodetektor
Fotonfångningsstrukturer används för att förbättra ljusabsorptionen i tunnakiselfotodetektorer
Fotoniska system vinner snabbt dragkraft i många nya tillämpningar, inklusive optisk kommunikation, liDAR-avkänning och medicinsk bildbehandling. Men den utbredda användningen av fotonik i framtida tekniska lösningar beror på tillverkningskostnadenfotodetektorer, vilket i sin tur till stor del beror på vilken typ av halvledare som används för det ändamålet.
Traditionellt har kisel (Si) varit den mest förekommande halvledaren i elektronikindustrin, så mycket att de flesta industrier har mognat runt detta material. Tyvärr har Si en relativt svag ljusabsorptionskoefficient i det nära infraröda (NIR) spektrumet jämfört med andra halvledare som galliumarsenid (GaAs). På grund av detta frodas GaAs och relaterade legeringar i fotoniska applikationer men är inte kompatibla med de traditionella komplementära metalloxidhalvledarprocesserna (CMOS) som används vid tillverkningen av de flesta elektronikprodukter. Detta ledde till en kraftig ökning av deras tillverkningskostnader.
Forskare har utarbetat ett sätt att kraftigt förbättra nära-infraröd absorption i kisel, vilket kan leda till kostnadsminskningar för högpresterande fotoniska enheter, och ett forskarteam från UC Davis banar väg för en ny strategi för att avsevärt förbättra ljusabsorptionen i tunna kiselfilmer. I sin senaste uppsats på Advanced Photonics Nexus demonstrerar de för första gången en experimentell demonstration av en kiselbaserad fotodetektor med ljusfångande mikro- och nanoytor, vilket uppnår oöverträffade prestandaförbättringar jämförbara med GaAs och andra III-V grupphalvledare . Fotodetektorn består av en mikrontjock cylindrisk kiselplatta placerad på ett isolerande substrat, med metall "fingrar" som sträcker sig på ett finger-gaffel sätt från kontaktmetallen på toppen av plattan. Viktigt är att det klumpiga kislet är fyllt med cirkulära hål arrangerade i ett periodiskt mönster som fungerar som fotonfångstplatser. Anordningens övergripande struktur får det normalt infallande ljuset att böjas med nästan 90° när det träffar ytan, vilket gör att det kan fortplanta sig i sidled längs Si-planet. Dessa laterala utbredningslägen ökar längden på ljusets färd och saktar effektivt ner det, vilket leder till fler ljus-materia-interaktioner och därmed ökad absorption.
Forskarna genomförde också optiska simuleringar och teoretiska analyser för att bättre förstå effekterna av fotonfångningsstrukturer, och genomförde flera experiment som jämförde 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 fotonfångningsfotodetektorn flera gånger högre än för vanligt kisel, och överstiger galliumarsenid. Dessutom, även om den föreslagna designen är för 1μm tjocka kiselplattor, visar simuleringar av 30 nm och 100 nm kiselfilmer kompatibla med CMOS-elektronik liknande förbättrad prestanda.
Sammantaget visar resultaten av denna studie en lovande strategi för att förbättra prestandan hos kiselbaserade fotodetektorer i framväxande fotonikapplikationer. Hög absorption kan uppnås även i ultratunna kiselskikt, och kretsens parasitkapacitans kan hållas låg, vilket är avgörande 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 kan i sin tur bana väg för betydande steg i prisvärda ultrasnabba datornätverk och bildteknik.
Posttid: 2024-nov-12