Nieuwe technologie vandunne silicium fotodetector
Fotonenvangstructuren worden gebruikt om de lichtabsorptie in dunne lagen te verbeterensilicium fotodetectoren
Fotonische systemen winnen snel aan populariteit in veel opkomende toepassingen, waaronder optische communicatie, LiDAR-sensoren en medische beeldvorming. De brede toepassing van fotonica in toekomstige technische oplossingen hangt echter af van de productiekosten.fotodetectoren, wat op zijn beurt weer sterk afhangt van het type halfgeleider dat voor dat doel wordt gebruikt.
Van oudsher is silicium (Si) de meest gebruikte halfgeleider in de elektronica-industrie, zozeer zelfs dat de meeste industrieën zich rond dit materiaal hebben ontwikkeld. Helaas heeft Si een relatief lage lichtabsorptiecoëfficiënt in het nabije infrarood (NIR) 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 leidde tot een sterke stijging van de productiekosten.
Onderzoekers hebben een manier bedacht om de nabij-infraroodabsorptie in silicium aanzienlijk te verbeteren, wat kan leiden tot kostenverlagingen voor hoogwaardige fotonische apparaten. Een onderzoeksteam van UC Davis baant een weg naar een nieuwe strategie om de lichtabsorptie in dunne siliciumfilms aanzienlijk te verbeteren. In hun nieuwste artikel bij Advanced Photonics Nexus demonstreren ze voor het eerst een experimentele demonstratie van een siliciumfotodetector met lichtvangende micro- en nano-oppervlaktestructuren, die ongekende prestatieverbeteringen oplevert die vergelijkbaar zijn met die van GaAs en andere halfgeleiders uit de III-V-groep. De fotodetector bestaat uit een micrometer dikke cilindrische siliciumplaat die op een isolerend substraat is geplaatst, met metalen "vingers" die als een soort vingervork uitsteken vanaf het contactmetaal aan de bovenkant van de plaat. Belangrijk is dat het klonterige silicium is gevuld met ronde gaten die in een periodiek patroon zijn gerangschikt en dienen als fotonenvangstpunten. De algehele structuur van het apparaat zorgt ervoor dat het normaal invallende licht bijna 90° afbuigt wanneer het het oppervlak raakt, waardoor het zich lateraal langs het siliciumvlak kan voortplanten. Deze laterale voortplantingsmodi vergroten de reisafstand van het licht en vertragen het licht effectief, wat leidt tot meer interacties tussen licht en materie en dus tot een hogere 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 fotonvangst werden vergeleken. Ze ontdekten dat fotonvangst leidde tot een significante verbetering van de breedbandige absorptie-efficiëntie in het NIR-spectrum, die boven de 68% bleef met een piek van 86%. Het is vermeldenswaard dat in het nabije infrarood de absorptiecoëfficiënt van de fotonvangstfotodetector meerdere malen hoger is dan die van gewoon silicium, zelfs hoger dan die van galliumarsenide. Bovendien laten simulaties van siliciumfilms van 30 nm en 100 nm, compatibel met CMOS-elektronica en hoewel het voorgestelde ontwerp is bedoeld voor siliciumplaten met een dikte van 1 μm, 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 siliciumgebaseerde fotodetectoren in opkomende fotonicatoepassingen. Hoge absorptie kan zelfs in ultradunne siliciumlagen 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 daardoor de potentie 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 vooruitgang in betaalbare ultrasnelle computernetwerken en beeldtechnologie.
Plaatsingstijd: 12-11-2024