Nieuwe technologie vandunne silicium fotodetector
Fotonenvangststructuren worden gebruikt om de lichtabsorptie in dun materiaal te verbeterensilicium fotodetectoren
Fotonische systemen winnen snel terrein in veel opkomende toepassingen, waaronder optische communicatie, liDAR-detectie en medische beeldvorming. De wijdverbreide toepassing van fotonica in toekomstige technische oplossingen hangt echter af van de productiekostenfotodetectoren, wat op zijn beurt grotendeels afhangt van het type halfgeleider dat daarvoor wordt gebruikt.
Traditioneel is silicium (Si) de meest alomtegenwoordige halfgeleider in de elektronica-industrie, zozeer zelfs dat de meeste industrieën rond dit materiaal volwassen zijn geworden. Helaas heeft Si een relatief zwakke lichtabsorptiecoëfficiënt in het nabij-infraroodspectrum (NIR) vergeleken met andere halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs). Hierdoor floreren GaAs en aanverwante legeringen in fotonische toepassingen, maar zijn ze niet compatibel met de traditionele complementaire metaaloxide-halfgeleiderprocessen (CMOS) 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 de nabij-infraroodabsorptie in silicium aanzienlijk te verbeteren, wat zou kunnen leiden tot kostenbesparingen in hoogwaardige fotonische apparaten, en een onderzoeksteam van UC Davis pioniert met een nieuwe strategie om de lichtabsorptie in dunne films van silicium aanzienlijk te verbeteren. In hun nieuwste artikel bij Advanced Photonics Nexus demonstreren ze voor het eerst een experimentele demonstratie van een op silicium gebaseerde fotodetector met lichtvangende micro- en nano-oppervlaktestructuren, waarmee ongekende prestatieverbeteringen worden bereikt die vergelijkbaar zijn met GaAs en andere halfgeleiders uit de III-V-groep . De fotodetector bestaat uit een micron dikke cilindrische siliciumplaat die op een isolerend substraat is geplaatst, met metalen ‘vingers’ die zich als een vingervork uitstrekken vanaf het contactmetaal aan de bovenkant van de plaat. Belangrijk is dat het klonterige silicium is gevuld met cirkelvormige gaten die in een periodiek patroon zijn gerangschikt en die fungeren als fotonenvangstlocaties. De algehele structuur van het apparaat zorgt ervoor dat het normaal invallende licht bijna 90° buigt wanneer het het oppervlak raakt, waardoor het zich lateraal langs het Si-vlak kan voortplanten. Deze laterale voortplantingsmodi vergroten de reislengte van het licht en vertragen deze effectief, wat leidt tot meer interacties tussen licht en materie en dus tot een grotere absorptie.
De onderzoekers voerden ook optische simulaties en theoretische analyses uit om de effecten van fotonenvangststructuren beter te begrijpen, en voerden verschillende experimenten uit waarbij fotodetectoren met en zonder fotodetectoren werden vergeleken. Ze ontdekten dat het vangen van fotonen leidde tot een aanzienlijke verbetering van de breedbandabsorptie-efficiëntie in het NIR-spectrum, waarbij het boven de 68% bleef met een piek van 86%. Het is vermeldenswaard dat in de nabij-infrarode band de absorptiecoëfficiënt van de fotonenvangstfotodetector meerdere malen hoger is dan die van gewoon silicium, en groter is dan galliumarsenide. Hoewel het voorgestelde ontwerp bedoeld is voor siliciumplaten van 1 μm dik, laten simulaties van siliciumfilms van 30 nm en 100 nm die compatibel zijn met CMOS-elektronica bovendien vergelijkbare verbeterde prestaties zien.
Over het geheel genomen demonstreren de resultaten van deze studie een veelbelovende strategie voor het verbeteren van de prestaties van op silicium gebaseerde fotodetectoren in opkomende fotonica-toepassingen. Zelfs in ultradunne siliciumlagen kan een hoge absorptie worden bereikt, en de parasitaire capaciteit van het circuit kan laag worden gehouden, wat van cruciaal belang is bij 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 in traditionele circuits wordt geïntegreerd. Dit zou op zijn beurt de weg kunnen vrijmaken voor substantiële sprongen in betaalbare ultrasnelle computernetwerken en beeldtechnologie.
Posttijd: 12 november 2024