Nieuwe technologie vandunne silicium fotodetector
Fotonopvangstructuren worden gebruikt om de lichtabsorptie in dun te verbeterensilicium fotodetectors
Fotonische systemen winnen snel grip in veel opkomende toepassingen, waaronder optische communicatie, LIDAR -detectie en medische beeldvorming. De wijdverbreide acceptatie van fotonica in toekomstige engineeringoplossingen is echter afhankelijk van de productiekostenfotodetectors, die op zijn beurt grotendeels afhangt van het type halfgeleider dat voor dat doel wordt gebruikt.
Traditioneel is silicium (SI) de meest alomtegenwoordige halfgeleider in de elektronica -industrie geweest, zozeer zelfs dat de meeste industrieën rond dit materiaal zijn gerijpt. Helaas heeft SI een relatief zwak lichtabsorptiecoëfficiënt in het nabije infrarood (NIR) spectrum in vergelijking met andere halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs). Daarom bloeien GaAs en aanverwante legeringen in fotonische toepassingen, maar zijn ze niet compatibel met de traditionele complementaire metaal-oxide halfgeleider (CMOS) -processen die worden gebruikt bij de productie van de meeste elektronica. Dit leidde tot een sterke stijging van hun productiekosten.
Onderzoekers hebben een manier bedacht om bijna-infraroodabsorptie in silicium aanzienlijk te verbeteren, wat zou kunnen leiden tot kostenreducties in krachtige fotonische apparaten, en een UC Davis-onderzoeksteam pioniert een nieuwe strategie om de lichtabsorptie in siliciumdunne films aanzienlijk te verbeteren. In hun nieuwste paper bij Advanced Photonics Nexus demonstreren ze voor het eerst een experimentele demonstratie van een op siliconen gebaseerde fotodetector met licht-capterende micro- en nano-oppervlakstructuren, het bereiken van ongekende prestatieverbeteringen die vergelijkbaar zijn met GAAS en andere III-V Group-semiconductoren. De fotodetector bestaat uit een micron-dikke cilindrische siliciumplaat geplaatst op een isolerend substraat, met metalen "vingers" die zich uitstrekt op een vingervorkmode van het contactmetaal aan de bovenkant van de plaat. Belangrijk is dat het klonterige silicium gevuld is met cirkelvormige gaten die zijn gerangschikt in een periodiek patroon dat fungeert als fotonafvangplaatsen. De algehele structuur van het apparaat zorgt ervoor dat het normaal invallende licht met bijna 90 ° buigt wanneer het het oppervlak raakt, waardoor het lateraal langs het Si -vlak zich kan voortplanten. Deze laterale voortplantingsmodi verhogen de lengte van de reizen van het licht en vertragen deze effectief, wat leidt tot meer licht-materie-interacties en dus verhoogde absorptie.
De onderzoekers voerden ook optische simulaties en theoretische analyses uit om de effecten van fotonafvangstructuren beter te begrijpen en voerden verschillende experimenten uit waarbij fotodetectoren werden vergeleken met en zonder hen. Ze ontdekten dat fotonafvang leidde tot een significante verbetering in breedbandabsorptie -efficiëntie in het NIR -spectrum en bleef boven 68% met een piek van 86%. Het is vermeldenswaard dat in de nabije infraroodband de absorptiecoëfficiënt van de fotonopvang fotodetector meerdere keren hoger is dan die van gewone silicium, die galliumarsenide overschrijdt. Bovendien, hoewel het voorgestelde ontwerp is voor 1μm dikke siliciumplaten, vertonen simulaties van siliciumfilms van 30 nm en 100 nm bovendien compatibel met CMOS -elektronica vergelijkbare verbeterde prestaties.
Over het algemeen tonen de resultaten van deze studie een veelbelovende strategie voor het verbeteren van de prestaties van op silicium gebaseerde fotodetectoren in opkomende fotonica-toepassingen. Hoge absorptie kan worden bereikt, zelfs in ultradunne siliciumlagen, en de parasitaire capaciteit van het circuit kan laag worden gehouden, wat cruciaal is in hogesnelheidssystemen. Bovendien is de voorgestelde methode compatibel met moderne CMOS -productieprocessen en heeft daarom het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop opto -elektronica zijn geïntegreerd in traditionele circuits. Dit zou op zijn beurt de weg kunnen effenen voor substantiële sprongen in betaalbare ultrasnel computernetwerken en beeldvormingstechnologie.
Posttijd: nov-12-2024