Новая технологиятонкий кремниевый фотодетектор
Структуры захвата фотонов используются для улучшения поглощения света в тонкихкремниевые фотодетекторы
Фотонные системы быстро набирают обороты во многих новых приложениях, включая оптическую связь, лидарное зондирование и медицинскую визуализацию. Однако широкое внедрение фотоники в будущих инженерных решениях зависит от стоимости производствафотодетекторы, что в свою очередь во многом зависит от типа полупроводника, используемого для этой цели.
Традиционно кремний (Si) был самым распространенным полупроводником в электронной промышленности, настолько, что большинство отраслей промышленности созрели вокруг этого материала. К сожалению, Si имеет относительно слабый коэффициент поглощения света в ближнем инфракрасном (NIR) спектре по сравнению с другими полупроводниками, такими как арсенид галлия (GaAs). Из-за этого GaAs и родственные сплавы процветают в фотонных приложениях, но несовместимы с традиционными процессами комплементарного металл-оксид-полупроводника (CMOS), используемыми в производстве большинства электронных устройств. Это привело к резкому увеличению их производственных затрат.
Исследователи разработали способ значительного улучшения поглощения ближнего инфракрасного диапазона в кремнии, что может привести к снижению стоимости высокопроизводительных фотонных устройств, а исследовательская группа Калифорнийского университета в Дэвисе является пионером новой стратегии для значительного улучшения поглощения света в тонких кремниевых пленках. В своей последней статье на Advanced Photonics Nexus они впервые демонстрируют экспериментальную демонстрацию фотодетектора на основе кремния с улавливающими свет микро- и наноструктурами поверхности, достигая беспрецедентных улучшений производительности, сравнимых с GaAs и другими полупроводниками группы III-V. Фотодетектор состоит из цилиндрической кремниевой пластины толщиной в микрон, помещенной на изолирующую подложку, с металлическими «пальцами», выступающими в виде вилки пальца от контактного металла в верхней части пластины. Важно, что комковатый кремний заполнен круглыми отверстиями, расположенными в периодическом узоре, которые действуют как места захвата фотонов. Общая структура устройства заставляет нормально падающий свет изгибаться почти на 90° при попадании на поверхность, позволяя ему распространяться в поперечном направлении вдоль плоскости Si. Эти боковые моды распространения увеличивают длину пути света и эффективно замедляют его, что приводит к большему взаимодействию света с веществом и, следовательно, к большему поглощению.
Исследователи также провели оптическое моделирование и теоретический анализ, чтобы лучше понять эффекты структур захвата фотонов, и провели несколько экспериментов, сравнивающих фотодетекторы с ними и без них. Они обнаружили, что захват фотонов привел к значительному улучшению эффективности широкополосного поглощения в спектре NIR, оставаясь выше 68% с пиком 86%. Стоит отметить, что в ближнем инфракрасном диапазоне коэффициент поглощения фотодетектора захвата фотонов в несколько раз выше, чем у обычного кремния, превосходя арсенид галлия. Кроме того, хотя предлагаемая конструкция предназначена для кремниевых пластин толщиной 1 мкм, моделирование 30 нм и 100 нм кремниевых пленок, совместимых с электроникой CMOS, показывает схожие улучшенные характеристики.
В целом, результаты этого исследования демонстрируют многообещающую стратегию улучшения производительности кремниевых фотодетекторов в новых приложениях фотоники. Высокое поглощение может быть достигнуто даже в сверхтонких слоях кремния, а паразитная емкость схемы может поддерживаться на низком уровне, что имеет решающее значение в высокоскоростных системах. Кроме того, предлагаемый метод совместим с современными производственными процессами КМОП и, следовательно, имеет потенциал для революционного изменения способа интеграции оптоэлектроники в традиционные схемы. Это, в свою очередь, может проложить путь к существенному скачку в доступных сверхбыстрых компьютерных сетях и технологиях обработки изображений.
Время публикации: 12 ноября 2024 г.