Нова технологіятонкий кремнієвий фотоприймач
Структури захоплення фотонів використовуються для посилення поглинання світла в тонкихкремнієві фотоприймачі
Фотонні системи швидко набирають обертів у багатьох нових застосуваннях, включаючи оптичний зв’язок, зондування liDAR та медичну візуалізацію. Однак широке застосування фотоніки в майбутніх інженерних рішеннях залежить від вартості виробництвафотодетектори, що, у свою чергу, значною мірою залежить від типу напівпровідника, який використовується для цієї мети.
Традиційно кремній (Si) був найпоширенішим напівпровідником в електронній промисловості, настільки, що більшість галузей промисловості розвивалися навколо цього матеріалу. На жаль, Si має відносно слабкий коефіцієнт поглинання світла в ближньому інфрачервоному (NIR) спектрі порівняно з іншими напівпровідниками, такими як арсенід галію (GaAs). Через це GaAs і пов’язані з ним сплави процвітають у фотонних додатках, але вони несумісні з традиційними процесами комплементарного металооксидного напівпровідника (CMOS), які використовуються у виробництві більшості електроніки. Це призвело до різкого зростання витрат на їх виготовлення.
Дослідники винайшли спосіб значно підвищити поглинання в ближньому інфрачервоному діапазоні в кремнії, що може призвести до зниження вартості високоефективних фотонних пристроїв, а дослідницька група Каліфорнійського університету в Девісі розробляє нову стратегію значного покращення поглинання світла в кремнієвих тонких плівках. У своїй останній статті на Advanced Photonics Nexus вони вперше демонструють експериментальну демонстрацію фотодетектора на основі кремнію зі світловловлюючими мікро- та наноповерхневими структурами, досягаючи безпрецедентного підвищення продуктивності, порівнянного з GaAs та іншими напівпровідниками групи III-V. . Фотодетектор складається з циліндричної кремнієвої пластини мікронної товщини, розміщеної на ізолюючій підкладці, з металевими «пальцями», що відходять у формі пальця-вилки від контактного металу у верхній частині пластини. Важливо відзначити, що грудкуватий кремній заповнений круглими отворами, розташованими за періодичним шаблоном, які діють як місця захоплення фотонів. Загальна структура пристрою призводить до того, що зазвичай падаюче світло згинається майже на 90°, коли воно потрапляє на поверхню, дозволяючи йому поширюватися латерально вздовж площини Si. Ці бокові режими розповсюдження збільшують довжину подорожі світла та ефективно сповільнюють його, що призводить до більшої взаємодії світла та матерії та, отже, до збільшення поглинання.
Дослідники також провели оптичне моделювання та теоретичний аналіз, щоб краще зрозуміти вплив структур захоплення фотонів, і провели кілька експериментів, порівнюючи фотодетектори з ними та без них. Вони виявили, що захоплення фотонів призвело до значного покращення ефективності широкосмугового поглинання в спектрі NIR, залишаючись вище 68% з піком 86%. Варто відзначити, що в ближньому інфрачервоному діапазоні коефіцієнт поглинання фотоприймача фотонного захоплення в кілька разів вище, ніж у звичайного кремнію, перевершуючи арсенід галію. Крім того, незважаючи на те, що запропонована конструкція призначена для кремнієвих пластин товщиною 1 мкм, моделювання кремнієвих плівок товщиною 30 нм і 100 нм, сумісних з КМОП-електронікою, демонструє аналогічну підвищену продуктивність.
Загалом результати цього дослідження демонструють багатообіцяючу стратегію для покращення продуктивності кремнієвих фотодетекторів у нових застосуваннях фотоніки. Високого поглинання можна досягти навіть у надтонких шарах кремнію, а паразитну ємність схеми можна підтримувати на низькому рівні, що є критичним у високошвидкісних системах. Крім того, запропонований метод сумісний із сучасними процесами виробництва CMOS і, отже, має потенціал революціонізувати спосіб інтеграції оптоелектроніки в традиційні схеми. Це, у свою чергу, може прокласти шлях до значних стрибків у доступних надшвидких комп’ютерних мережах і технологіях обробки зображень.
Час публікації: 12 листопада 2024 р