Ny teknik avtunn kiselfotodetektor
Fotoninfångningsstrukturer används för att förbättra ljusabsorptionen i tunna materialkiselfotodetektorer
Fotoniska system vinner snabbt framträdande i många nya tillämpningar, inklusive optisk kommunikation, liDAR-avkänning och medicinsk avbildning. Det utbredda införandet av fotonik i framtida tekniska lösningar beror dock på tillverkningskostnaden.fotodetektorer, vilket i sin tur till stor del beror på vilken typ av halvledare som används för ändamålet.
Traditionellt sett har kisel (Si) varit den vanligaste halvledaren inom elektronikindustrin, i en sådan utsträckning att de flesta industrier har mognat kring detta material. Tyvärr har Si en relativt svag ljusabsorptionskoefficient i det nära infraröda spektrumet (NIR) jämfört med andra halvledare som galliumarsenid (GaAs). På grund av detta blomstrar GaAs och relaterade legeringar inom fotoniska tillämpningar men är inte kompatibla med de traditionella komplementära metalloxidhalvledarprocesserna (CMOS) som används vid produktion av de flesta elektroniktyper. Detta ledde till en kraftig ökning av deras tillverkningskostnader.
Forskare har utarbetat ett sätt att avsevärt förbättra absorptionen av nära-infrarött ljus i kisel, vilket kan leda till kostnadsminskningar för högpresterande fotoniska enheter, och ett forskarteam vid UC Davis är pionjärer inom en ny strategi för att avsevärt förbättra ljusabsorptionen i kiseltunna filmer. I sin senaste artikel på Advanced Photonics Nexus demonstrerar de för första gången en experimentell demonstration av en kiselbaserad fotodetektor med ljusfångande mikro- och nano-ytstrukturer, vilket uppnår oöverträffade prestandaförbättringar jämförbara med GaAs och andra halvledare i III-V-gruppen. Fotodetektorn består av en mikrontjock cylindrisk kiselplatta placerad på ett isolerande substrat, med metalliska "fingrar" som sträcker sig i ett fingergaffelformat från kontaktmetallen högst upp på plattan. Viktigt är att det klumpiga kislet är fyllt med cirkulära hål arrangerade i ett periodiskt mönster som fungerar som fotoninfångningsplatser. Enhetens övergripande struktur gör att det normalt infallande ljuset böjs med nästan 90° när det träffar ytan, vilket gör att det kan sprida sig i sidled längs Si-planet. Dessa laterala utbredningssätt ökar ljusets färdlängd och saktar effektivt ner den, vilket leder till fler interaktioner mellan ljus och materia och därmed ökad absorption.
Forskarna utförde också optiska simuleringar och teoretiska analyser för att bättre förstå effekterna av fotoninfångningsstrukturer, och genomförde flera experiment som jämförde fotodetektorer med och utan dem. De fann att fotoninfångning ledde till en signifikant förbättring av bredbandsabsorptionseffektiviteten i NIR-spektrumet, över 68 % med en topp på 86 %. Det är värt att notera att i det nära infraröda bandet är absorptionskoefficienten för fotoninfångningsfotodetektorn 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 som är kompatibla med CMOS-elektronik liknande förbättrad prestanda.
Sammantaget visar resultaten av denna studie en lovande strategi för att förbättra prestandan hos kiselbaserade fotodetektorer i nya fotoniska tillämpningar. Hög absorption kan uppnås även i ultratunna kisellager, och kretsens parasitiska kapacitans 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 framsteg inom prisvärda ultrasnabba datornätverk och bildteknik.
Publiceringstid: 12 november 2024