Nuwe tegnologie van dun silikon fotodetektor

Nuwe tegnologie vandun silikon fotodetektor
Fotonopvangstrukture word gebruik om ligabsorpsie in dunne te verbetersilikon fotodetektors
Fotoniese stelsels kry vinnig traksie in baie opkomende toepassings, insluitend optiese kommunikasie, liDAR-waarneming en mediese beelding. Die wydverspreide aanvaarding van fotonika in toekomstige ingenieursoplossings hang egter af van die vervaardigingskostefotodetektors, 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 vervaardiging van die meeste elektronika gebruik word nie. Dit het gelei tot 'n skerp styging in hul vervaardigingskoste.
Navorsers het 'n manier bedink om naby-infrarooi absorpsie in silikon aansienlik te verbeter, wat kan lei tot kosteverminderings in hoëprestasie fotoniese toestelle, en 'n UC Davis-navorsingspan is 'n baanbreker met 'n nuwe strategie om ligabsorpsie in silikon dun films aansienlik te verbeter. In hul jongste referaat by Advanced Photonics Nexus demonstreer hulle vir die eerste keer 'n eksperimentele demonstrasie van 'n silikongebaseerde fotodetektor met ligvangende mikro- en nano-oppervlakstrukture, wat ongekende prestasieverbeterings bereik wat vergelykbaar is met GaAs en ander III-V groep halfgeleiers . Die fotodetektor bestaan ​​uit 'n mikron-dik silindriese silikonplaat wat op 'n isolerende substraat geplaas is, met metaal-"vingers" wat op 'n vingervurk-wyse uitsteek vanaf die kontakmetaal aan die bokant van die plaat. Wat belangrik is, is dat die klonterige silikon gevul is met sirkelvormige gate wat in 'n periodieke patroon gerangskik is wat as fotonvangplekke optree. Die algehele struktuur van die toestel veroorsaak dat die normaalweg invallende lig met byna 90° buig wanneer dit die oppervlak tref, sodat dit lateraal langs die Si-vlak kan voortplant. 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 gedoen om die uitwerking van fotonvangstrukture beter te verstaan, en verskeie eksperimente uitgevoer wat fotodetektors met en daarsonder vergelyk het. Hulle het bevind dat fotonvaslegging gelei het tot 'n beduidende verbetering in breëbandabsorpsiedoeltreffendheid in die NIR-spektrum, wat bo 68% gebly het met 'n hoogtepunt van 86%. Dit is opmerklik dat in die nabye infrarooi band die absorpsiekoëffisiënt van die fotonopvangfotodetektor 'n paar keer hoër is as dié van gewone silikon, wat galliumarsenied oorskry. Daarbenewens, alhoewel die voorgestelde ontwerp vir 1μm dik silikonplate is, toon simulasies van 30 nm en 100 nm silikonfilms versoenbaar met CMOS-elektronika soortgelyke verbeterde werkverrigting.
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 behaal word, en die stroombaan se parasitiese kapasitansie kan laag gehou word, wat van kritieke belang is in hoëspoedstelsels. Boonop is die voorgestelde metode versoenbaar met moderne CMOS-vervaardigingsprosesse en het dit dus die potensiaal om 'n rewolusie teweeg te bring in die manier waarop opto-elektronika in tradisionele stroombane geïntegreer word. Dit kan op sy beurt die weg baan vir aansienlike spronge in bekostigbare ultravinnige rekenaarnetwerke en beeldtegnologie.