Vékony szilícium fotodetektor új technológiája

Új technológia avékony szilícium fotodetektor
A fotonbefogó szerkezeteket a vékony fényelnyelés fokozására használjákszilícium fotodetektorok
A fotonikus rendszerek gyorsan teret nyernek számos feltörekvő alkalmazásban, ideértve az optikai kommunikációt, a liDAR érzékelést és az orvosi képalkotást. A fotonika jövőbeli mérnöki megoldásokban való széles körű elterjedése azonban a gyártási költségektől függfotodetektorok, ami viszont nagyban függ az erre a célra használt félvezető típusától.
Hagyományosan a szilícium (Si) volt a legelterjedtebb félvezető az elektronikai iparban, olyannyira, hogy a legtöbb iparág ez az anyag köré érett. Sajnos a Si-nek viszonylag gyenge fényelnyelési együtthatója van a közeli infravörös (NIR) spektrumban, összehasonlítva más félvezetőkkel, például a gallium-arzeniddel (GaAs). Emiatt a GaAs és a kapcsolódó ötvözetek virágoznak a fotonikus alkalmazásokban, de nem kompatibilisek a legtöbb elektronikai cikk gyártásában használt hagyományos komplementer fém-oxid félvezető (CMOS) eljárásokkal. Ez gyártási költségeik meredek növekedéséhez vezetett.
A kutatók kidolgoztak egy módszert a közeli infravörös szilícium abszorpciójának nagymértékű növelésére, ami a nagy teljesítményű fotonikus eszközök költségeinek csökkentését eredményezheti, és az UC Davis kutatócsoportja úttörő szerepet vállal egy új stratégia kidolgozásában, amellyel nagymértékben javíthatja a szilícium vékonyrétegek fényelnyelését. Az Advanced Photonics Nexus kiállításon megjelent legfrissebb tanulmányukban először mutatnak be egy szilícium alapú fotodetektor kísérleti bemutatóját fénybefogó mikro- és nano-felületi struktúrákkal, amelyek példátlan teljesítményjavulást érnek el, összehasonlítva a GaAs és más III-V csoportú félvezetőkkel. . A fotodetektor egy mikron vastag, hengeres szilíciumlemezből áll, amely szigetelő hordozóra van elhelyezve, és a fém „ujjak” ujjvilla-módon nyúlnak ki a lemez tetején lévő érintkező fémből. Fontos, hogy a csomós szilícium kör alakú lyukakkal van megtöltve, amelyek periodikus mintázatba rendeződnek, és fotonbefogó helyként működnek. Az eszköz általános szerkezete miatt a normál esetben beeső fény közel 90°-kal elhajlik, amikor eléri a felületet, lehetővé téve, hogy oldalirányban terjedjen a Si sík mentén. Ezek az oldalirányú terjedési módok megnövelik a fény úthosszát és hatékonyan lelassítják azt, ami több fény-anyag kölcsönhatáshoz és ezáltal megnövekedett abszorpcióhoz vezet.
A kutatók optikai szimulációkat és elméleti elemzéseket is végeztek, hogy jobban megértsék a fotonbefogó struktúrák hatását, és több kísérletet is végeztek, amelyekben összehasonlították a fotodetektorokat velük és anélkül. Azt találták, hogy a fotonrögzítés jelentős javulást eredményezett a szélessávú abszorpciós hatékonyságban a NIR spektrumban, 68% felett maradva 86%-os csúcsértékkel. Érdemes megjegyezni, hogy a közeli infravörös sávban a fotonbefogó fotodetektor abszorpciós együtthatója többszöröse a közönséges szilíciuménak, és meghaladja a gallium-arzenidet. Ezen túlmenően, bár a javasolt kialakítás 1 μm vastag szilíciumlemezekre vonatkozik, a CMOS elektronikával kompatibilis 30 nm-es és 100 nm-es szilíciumfilmek szimulációi hasonló fokozott teljesítményt mutatnak.
Összességében a tanulmány eredményei ígéretes stratégiát mutatnak be a szilícium alapú fotodetektorok teljesítményének javítására a feltörekvő fotonikai alkalmazásokban. Az ultravékony szilíciumrétegekben is nagy abszorpció érhető el, és az áramkör parazita kapacitása alacsonyan tartható, ami kritikus a nagy sebességű rendszerekben. Ezenkívül a javasolt módszer kompatibilis a modern CMOS gyártási folyamatokkal, és ezért forradalmasíthatja az optoelektronika hagyományos áramkörökbe történő integrálását. Ez pedig jelentős ugrásokat nyithat meg a megfizethető, ultragyors számítógépes hálózatok és képalkotó technológiák terén.