Nieuwe technologie vandunne silicium fotodetector
Fotonvangstructuren worden gebruikt om de lichtabsorptie in dunne lagen te verbeteren.siliciumfotodetectoren
Fotonische systemen winnen snel aan populariteit in veel nieuwe toepassingen, waaronder optische communicatie, LiDAR-sensoren en medische beeldvorming. De wijdverspreide toepassing van fotonica in toekomstige technische oplossingen hangt echter af van de productiekosten.fotodetectoren, wat op zijn beurt grotendeels afhangt van het type halfgeleider dat daarvoor wordt gebruikt.
Silicium (Si) is van oudsher de meest voorkomende halfgeleider in de elektronica-industrie, zozeer zelfs dat de meeste industrieën zich rond dit materiaal hebben ontwikkeld. Helaas heeft Si een relatief zwakke lichtabsorptiecoëfficiënt in het nabij-infrarood (NIR) spectrum vergeleken met andere halfgeleiders zoals galliumarsenide (GaAs). Hierdoor floreren GaAs en verwante legeringen in fotonische toepassingen, maar zijn ze niet compatibel met de traditionele CMOS-processen (complementary metal-oxide semiconductor) die worden gebruikt bij de productie van de meeste elektronica. Dit heeft geleid tot een sterke stijging van de productiekosten.
Onderzoekers hebben een manier bedacht om de absorptie van nabij-infrarood licht in silicium aanzienlijk te verbeteren, wat kan leiden tot kostenbesparingen in hoogwaardige fotonische apparaten. Een onderzoeksteam van UC Davis is een pionier in een nieuwe strategie om de lichtabsorptie in dunne siliciumfilms sterk te verbeteren. In hun nieuwste publicatie in Advanced Photonics Nexus demonstreren ze voor het eerst een experimentele demonstratie van een op silicium gebaseerde fotodetector met lichtvangende micro- en nanostructuren op het oppervlak. Hiermee bereiken ze ongekende prestatieverbeteringen die vergelijkbaar zijn met GaAs en andere halfgeleiders uit de III-V-groep. De fotodetector bestaat uit een cilindrische siliciumplaat van enkele micrometers dik, geplaatst op een isolerend substraat, met metalen "vingers" die in een vorkvorm uitsteken vanaf het contactmetaal aan de bovenkant van de plaat. Belangrijk is dat het onregelmatige silicium gevuld is met cirkelvormige gaten die in een periodiek patroon zijn gerangschikt en fungeren als fotonvangstpunten. De algehele structuur van het apparaat zorgt ervoor dat loodrecht invallend licht bijna 90° afbuigt wanneer het het oppervlak raakt, waardoor het zich lateraal langs het siliciumvlak kan voortplanten. Deze laterale voortplantingsmodi vergroten de afstand die het licht aflegt en vertragen het effectief, wat leidt tot meer interacties tussen licht en materie en dus tot een verhoogde absorptie.
De onderzoekers voerden ook optische simulaties en theoretische analyses uit om de effecten van fotonvangstructuren beter te begrijpen, en voerden verschillende experimenten uit waarbij fotodetectoren met en zonder deze structuren werden vergeleken. Ze ontdekten dat fotonvangst leidde tot een aanzienlijke verbetering van de breedbandabsorptie-efficiëntie in het NIR-spectrum, die boven de 68% bleef met een piek van 86%. Het is opmerkelijk dat in de nabij-infraroodband de absorptiecoëfficiënt van de fotonvangfotodetector meerdere malen hoger is dan die van gewoon silicium, en zelfs hoger dan die van galliumarsenide. Bovendien, hoewel het voorgestelde ontwerp is voor siliciumplaten van 1 μm dik, laten simulaties van siliciumfilms van 30 nm en 100 nm, compatibel met CMOS-elektronica, vergelijkbare verbeterde prestaties zien.
Over het geheel genomen tonen de resultaten van deze studie een veelbelovende strategie aan 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 cruciaal is in snelle systemen. Bovendien is de voorgestelde methode compatibel met moderne CMOS-productieprocessen en heeft deze 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 aanzienlijke sprongen voorwaarts in betaalbare ultrasnelle computernetwerken en beeldvormingstechnologie.
Geplaatst op: 12 november 2024