Nuwe tegnologie van dun silikon fotodetektor

Nuwe tegnologie vandun silikon fotodetektor
Fotonvangstrukture word gebruik om ligabsorpsie in dun materiale te verbetersilikon fotodetektors
Fotoniese stelsels kry vinnig vastrapplek in baie opkomende toepassings, insluitend optiese kommunikasie, liDAR-waarneming en mediese beeldvorming. Die wydverspreide aanvaarding van fotonika in toekomstige ingenieursoplossings hang egter af van die vervaardigingskoste.fotodetektors, wat weer grootliks afhang van die tipe halfgeleier wat vir daardie doel gebruik word.
Tradisioneel was silikon (Si) die mees alomteenwoordige halfgeleier in die elektroniese industrie, soveel so dat die meeste nywerhede rondom hierdie materiaal volwasse geword het. Ongelukkig het Si 'n relatief swak ligabsorpsiekoëffisiënt in die nabye infrarooi (NIR) spektrum in vergelyking met ander halfgeleiers soos galliumarsenied (GaAs). As gevolg hiervan floreer GaAs en verwante legerings in fotoniese toepassings, maar is nie versoenbaar met die tradisionele komplementêre metaaloksied-halfgeleier (CMOS) prosesse wat in die produksie van die meeste elektronika gebruik word nie. Dit het gelei tot 'n skerp toename in hul vervaardigingskoste.
Navorsers het 'n manier bedink om nabye-infrarooi absorpsie in silikon aansienlik te verbeter, wat kan lei tot kostevermindering in hoëprestasie fotoniese toestelle, en 'n UC Davis-navorsingspan is baanbreker in 'n nuwe strategie om ligabsorpsie in silikon dun films aansienlik te verbeter. In hul jongste artikel by Advanced Photonics Nexus demonstreer hulle vir die eerste keer 'n eksperimentele demonstrasie van 'n silikon-gebaseerde fotodetektor met ligvangende mikro- en nano-oppervlakstrukture, wat ongekende prestasieverbeterings vergelykbaar met GaAs en ander III-V-groep halfgeleiers behaal. Die fotodetektor bestaan ​​uit 'n mikron-dik silindriese silikonplaat wat op 'n isolerende substraat geplaas word, met metaal-"vingers" wat in 'n vingervurk-vorm vanaf die kontakmetaal bo-op die plaat strek. Belangrik is dat die klonterige silikon gevul is met sirkelvormige gate wat in 'n periodieke patroon gerangskik is wat as fotonvangplekke dien. Die algehele struktuur van die toestel veroorsaak dat die normaalweg invallende lig met byna 90° buig wanneer dit die oppervlak tref, wat dit toelaat om lateraal langs die Si-vlak voort te plant. Hierdie laterale voortplantingsmodusse verhoog die lengte van lig se reis en vertraag dit effektief, wat lei tot meer lig-materie-interaksies en dus verhoogde absorpsie.
Die navorsers het ook optiese simulasies en teoretiese ontledings uitgevoer om die effekte van fotonvangsstrukture beter te verstaan, en verskeie eksperimente uitgevoer wat fotodetektors met en sonder hulle vergelyk het. Hulle het bevind dat fotonvangs gelei het tot 'n beduidende verbetering in breëbandabsorpsie-effektiwiteit in die NIR-spektrum, wat bo 68% gebly het met 'n piek van 86%. Dit is opmerklik dat die absorpsiekoëffisiënt van die fotonvangsfotodetektor in die nabye infrarooi band verskeie kere hoër is as dié van gewone silikon, wat galliumarsenied oorskry. Daarbenewens, hoewel die voorgestelde ontwerp vir 1μm dik silikonplate is, toon simulasies van 30 nm en 100 nm silikonfilms wat versoenbaar is met CMOS-elektronika, soortgelyke verbeterde prestasie.
Oor die algemeen toon die resultate van hierdie studie 'n belowende strategie vir die verbetering van die werkverrigting van silikon-gebaseerde fotodetektors in opkomende fotonika-toepassings. Hoë absorpsie kan selfs in ultra-dun silikonlae bereik word, en die stroombaan se parasitiese kapasitansie kan laag gehou word, wat krities is in hoëspoedstelsels. Boonop is die voorgestelde metode versoenbaar met moderne CMOS-vervaardigingsprosesse en het dus die potensiaal om die manier waarop opto-elektronika in tradisionele stroombane geïntegreer word, te revolusioneer. Dit kan weer die weg baan vir aansienlike spronge in bekostigbare ultrasnelle rekenaarnetwerke en beeldtegnologie.