Új technológiavékony szilícium fotodetektor
Fotonbefogó szerkezeteket használnak a fényelnyelés fokozására vékony rétegekbenszilícium fotodetektorok
A fotonikus rendszerek gyorsan terjednek számos új alkalmazásban, beleértve az optikai kommunikációt, a liDAR érzékelést és az orvosi képalkotást. A fotonika széles körű elterjedése a jövőbeli mérnöki megoldásokban azonban a gyártási költségektől függ.fotodetektorok, ami viszont nagymértékben függ az adott célra használt félvezető típusától.
Hagyományosan a szilícium (Si) volt a legelterjedtebb félvezető az elektronikai iparban, olyannyira, hogy a legtöbb iparág e körül az anyag köré fejlődött. Sajnos a Si-nak viszonylag gyenge a fényelnyelési együtthatója a közeli infravörös (NIR) spektrumban más félvezetőkhöz, például a gallium-arzenidhez (GaAs) képest. Emiatt a GaAs és a rokon ötvözetek virágoznak a fotonikus alkalmazásokban, de nem kompatibilisek a legtöbb elektronikai cikk gyártásában használt hagyományos komplementer fém-oxid félvezető (CMOS) eljárásokkal. Ez a gyártási költségeik hirtelen növekedéséhez vezetett.
A kutatók kidolgoztak egy módszert a szilícium közeli infravörös abszorpciójának jelentős növelésére, ami a nagy teljesítményű fotonikus eszközök költségeinek csökkentéséhez vezethet, és egy UC Davis kutatócsoport úttörő szerepet játszik egy új stratégiában a szilícium vékonyrétegek fényelnyelésének jelentős javítására. Legújabb, az Advanced Photonics Nexusban megjelent tanulmányukban elsőként mutatnak be kísérletileg egy szilícium alapú fotodetektort, amely fénybefogó mikro- és nanofelületi szerkezetekkel rendelkezik, és példátlan teljesítményjavulást ér el, összehasonlítható a GaAs-szal és más III-V csoportú félvezetőkkel. A fotodetektor egy mikron vastag hengeres szilíciumlemezből áll, amelyet egy szigetelő hordozóra helyeznek, és amelynek tetején lévő érintkező fémből ujjvilla formájában fém „ujjak” nyúlnak ki. Fontos, hogy a csomós szilíciumot periodikus mintázatban elrendezett kör alakú lyukak töltik ki, amelyek fotonbefogási helyként működnek. Az eszköz teljes szerkezete miatt a normális esetben beeső fény közel 90°-kal meghajlik, amikor a felületre ér, lehetővé téve, hogy oldalirányban terjedjen a Si síkja mentén. Ezek az oldalirányú terjedési módok növelik a fény terjedési útját, és hatékonyan lelassítják azt, ami több fény-anyag kölcsönhatáshoz és ezáltal fokozott abszorpcióhoz vezet.
A kutatók optikai szimulációkat és elméleti elemzéseket is végeztek a fotonbefogási struktúrák hatásainak jobb megértése érdekében, és számos kísérletet végeztek, amelyekben összehasonlították a fotonbefogási struktúrákkal és azok nélkül készült fotodetektorokat. Azt találták, hogy a fotonbefogás a szélessávú abszorpciós hatékonyság jelentős javulásához vezetett a közeli infravörös spektrumban, amely 68% felett maradt, 86%-os csúcsértékkel. Érdemes megjegyezni, hogy a közeli infravörös sávban a fotonbefogásos fotodetektor abszorpciós együtthatója többszöröse a hagyományos szilikonnal összehasonlítva, meghaladva a gallium-arzenidet. Ezenkívül, bár a javasolt kialakítás 1 μm vastag szilíciumlemezekre vonatkozik, a CMOS elektronikával kompatibilis 30 nm-es és 100 nm-es szilíciumfilmek szimulációi hasonlóan megnövekedett teljesítményt mutatnak.
Összességében a tanulmány eredményei ígéretes stratégiát mutatnak be a szilícium alapú fotodetektorok teljesítményének javítására a feltörekvő fotonikai alkalmazásokban. Még ultravékony szilíciumrétegekben is nagy abszorpció érhető el, és az áramkör parazita kapacitása alacsonyan tartható, ami kritikus fontosságú a nagy sebességű rendszerekben. Ezenkívül a javasolt módszer kompatibilis a modern CMOS gyártási eljárásokkal, és így forradalmasíthatja az optoelektronika integrálásának módját a hagyományos áramkörökbe. Ez viszont jelentős ugrásokat eredményezhet a megfizethető ultragyors számítógépes hálózatok és képalkotó technológia terén.
Közzététel ideje: 2024. november 12.