Нова технологіятонкий кремній фотодетектор
Структури захоплення фотонів використовуються для посилення поглинання світла в тонкихСиліконові фотодетектори
Фотонічні системи швидко набирають тягу у багатьох нових програмах, включаючи оптичні комунікації, зондування лідарів та медичні візуалізації. Однак широке прийняття фотоніки у майбутніх інженерних рішеннях залежить від витрат на виробництвоФотопрофетори, що, в свою чергу, багато в чому залежить від типу напівпровідника, який використовується для цієї мети.
Традиційно кремній (SI) був найбільш всюдисущим напівпровідником у галузі електроніки, настільки, що більшість галузей промисловості дозріли навколо цього матеріалу. На жаль, SI має відносно слабкий коефіцієнт поглинання світла в спектрі майже інфрачервоного (NIR) порівняно з іншими напівпровідниками, такими як арсенід галію (GAAS). Через це GAA та пов'язані з ними сплави процвітають у фотонних додатках, але не сумісні з традиційними процесами додаткового напівпровідника метал-оксиду (CMOS), що використовуються у виробництві більшості електроніки. Це призвело до різкого збільшення їх виробничих витрат.
Дослідники розробили спосіб значно покращити майже інфрачервоне поглинання в кремнію, що може призвести до зниження витрат у високоефективних фотонних пристроях, а дослідницька група Davis вперше є новою стратегією, щоб значно покращити поглинання освітлення в тонких фільмах кремнію. У своєму останньому документі в Advanced Photonics Nexus вони вперше демонструють експериментальну демонстрацію фотодетектора на основі кремнію з мікрок-нано-поверхневими структурами, досягаючи безпрецедентних поліпшень продуктивності, порівнянних з GAAS та іншими напівпровідниками III-V. Фотопродуктор складається з циліндричної кремнієвої пластини товщиною мікрона, розміщеної на ізоляційній підкладці, з металевими «пальцями», що простягаються в руслі пальця від контактного металу у верхній частині пластини. Важливо, що грудний кремній наповнений круглими отворами, розташованими в періодичному малюнку, що діють як сайти захоплення фотонів. Загальна структура пристрою призводить до того, що нормально падаюче світло згинається майже на 90 °, коли він потрапляє на поверхню, що дозволяє йому поширюватися бічно по площині СІ. Ці бічні режими розповсюдження збільшують довжину подорожі світла і ефективно уповільнюють його, що призводить до більшої взаємодії легкої речовини і, таким чином, збільшує поглинання.
Дослідники також провели оптичні моделювання та теоретичні аналізи, щоб краще зрозуміти наслідки структур захоплення фотонів, і провів кілька експериментів, порівнюючи фотодетектори з ними та без них. Вони виявили, що захоплення фотонів призвело до значного поліпшення ефективності широкосмугового поглинання в спектрі NIR, залишаючись вище 68% з піком 86%. Варто зазначити, що в майже інфрачервоній смузі коефіцієнт поглинання фотонового фотонектора в декількох разів більший, ніж у звичайного кремнію, що перевищує арсенід галію. Крім того, хоча запропонована конструкція є для кремнієвих пластин товщиною 1 мкм, моделювання плівок кремнію 30 нм та 100 нм, сумісні з електронікою CMOS, демонструють подібні підвищені продуктивності.
Загалом, результати цього дослідження демонструють багатообіцяючу стратегію для підвищення продуктивності фотодетекторів на основі кремнію в нових додатках для фотоніки. Високе поглинання може бути досягнуто навіть у надтонких кремнієвих шарах, а паразитарна ємність ланцюга може бути низькою, що є критично важливою у високошвидкісних системах. Крім того, запропонований метод сумісний із сучасними процесами виробництва CMOS і, отже, має потенціал для революції в способі інтеграції оптоелектроніки в традиційні схеми. Це, в свою чергу, може прокласти шлях для значних стрибків у доступних надшвидких комп'ютерних мережах та технології візуалізації.
Час посади: 12-2024 листопада