Нова технологіятонкий кремнієвий фотодетектор
Структури захоплення фотонів використовуються для покращення поглинання світла в тонкихкремнієві фотодетектори
Фотонні системи швидко набирають обертів у багатьох нових застосуваннях, включаючи оптичний зв'язок, лідарні датчики та медичну візуалізацію. Однак широке впровадження фотоніки в майбутні інженерні рішення залежить від вартості виробництва.фотодетектори, що, у свою чергу, значною мірою залежить від типу напівпровідника, що 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 та споріднені сплави процвітають у фотонних застосуваннях, але несумісні з традиційними комплементарними металооксидними напівпровідниковими (CMOS) процесами, що використовуються у виробництві більшості електроніки. Це призвело до різкого зростання їх виробничих витрат.
Дослідники розробили спосіб значно покращити поглинання ближнього інфрачервоного діапазону в кремнії, що може призвести до зниження вартості високопродуктивних фотонних пристроїв, а дослідницька група Каліфорнійського університету в Девісі є піонером нової стратегії для значного покращення поглинання світла в тонких кремнієвих плівках. У своїй останній статті на Advanced Photonics Nexus вони вперше демонструють експериментальну демонстрацію фотодетектора на основі кремнію з мікро- та нано-поверхневими структурами, що захоплюють світло, досягаючи безпрецедентного покращення продуктивності, порівнянного з GaAs та іншими напівпровідниками III-V групи. Фотодетектор складається з циліндричної кремнієвої пластини мікронної товщини, розміщеної на ізолюючій підкладці, з металевими «пальцями», що відходять у формі пальцеподібної вилки від контактного металу у верхній частині пластини. Важливо, що грудкуватий кремній заповнений круглими отворами, розташованими періодично, які діють як місця захоплення фотонів. Загальна структура пристрою змушує нормально падаюче світло згинатися майже на 90°, коли воно потрапляє на поверхню, дозволяючи йому поширюватися латерально вздовж площини Si. Ці режими латерального поширення збільшують довжину шляху світла та ефективно уповільнюють його, що призводить до більшої взаємодії світла з речовиною та, отже, до збільшення поглинання.
Дослідники також провели оптичне моделювання та теоретичний аналіз, щоб краще зрозуміти вплив структур захоплення фотонів, і провели кілька експериментів, що порівнювали фотодетектори з ними та без них. Вони виявили, що захоплення фотонів призводить до значного покращення ефективності широкосмугового поглинання в ближньому інфрачервоному спектрі, залишаючись вище 68% з піком 86%. Варто зазначити, що в ближньому інфрачервоному діапазоні коефіцієнт поглинання фотодетектора захоплення фотонів у кілька разів вищий, ніж у звичайного кремнію, перевищуючи арсенід галію. Крім того, хоча запропонована конструкція розрахована на кремнієві пластини товщиною 1 мкм, моделювання кремнієвих плівок товщиною 30 нм та 100 нм, сумісних з CMOS-електронікою, демонструє аналогічно покращену продуктивність.
Загалом, результати цього дослідження демонструють перспективну стратегію покращення продуктивності кремнієвих фотодетекторів у нових фотонних застосуваннях. Високого поглинання можна досягти навіть в надтонких кремнієвих шарах, а паразитну ємність схеми можна підтримувати на низькому рівні, що є критично важливим у високошвидкісних системах. Крім того, запропонований метод сумісний із сучасними виробничими процесами CMOS і, отже, має потенціал для революціонізування способів інтеграції оптоелектроніки в традиційні схеми. Це, у свою чергу, може прокласти шлях до суттєвих кроків у розвитку доступних надшвидких комп'ютерних мереж та технологій візуалізації.
Час публікації: 12 листопада 2024 р.