Новая технологиятонкий кремниевый фотодетектор
Структуры захвата фотонов используются для улучшения поглощения света в тонкихкремниевые фотодетекторы
Фотонные системы быстро набирают популярность во многих новых приложениях, включая оптическую связь, лидарные датчики и медицинскую визуализацию. Однако широкое внедрение фотоники в будущие инженерные решения зависит от стоимости производства.фотодетекторы, что, в свою очередь, во многом зависит от типа полупроводника, используемого для этой цели.
Кремний (Si) традиционно является наиболее распространённым полупроводником в электронной промышленности, настолько, что большинство отраслей промышленности уже сформировались вокруг него. К сожалению, Si имеет относительно низкий коэффициент поглощения света в ближнем инфракрасном (БИК) спектре по сравнению с другими полупроводниками, такими как арсенид галлия (GaAs). В связи с этим GaAs и родственные ему сплавы успешно применяются в фотонных приложениях, но несовместимы с традиционными технологиями комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП), используемыми в производстве большинства электронных устройств. Это привело к резкому увеличению стоимости их производства.
Исследователи разработали способ значительного увеличения поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне в кремнии, что может привести к снижению стоимости высокопроизводительных фотонных устройств. Исследовательская группа из Калифорнийского университета в Дэвисе разрабатывает новую стратегию, позволяющую значительно улучшить поглощение света в тонких кремниевых пленках. В своей последней статье на конференции Advanced Photonics Nexus они впервые экспериментально продемонстрировали работу кремниевого фотодетектора со светоулавливающими микро- и наноструктурами, достигнув беспрецедентного повышения производительности, сопоставимого с GaAs и другими полупроводниками группы III-V. Фотодетектор состоит из цилиндрической кремниевой пластины микронной толщины, размещенной на изолирующей подложке, с металлическими «пальцами», отходящими подобно вилкам от контактного металла в верхней части пластины. Важно отметить, что комковатый кремний заполнен круглыми отверстиями, расположенными в периодическом порядке, которые служат центрами захвата фотонов. Общая структура устройства обеспечивает преломление нормально падающего света почти на 90° при попадании на поверхность, что позволяет ему распространяться в поперечном направлении вдоль плоскости кремния. 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 для лучшего понимания эффектов структур захвата фотонов, а также провели несколько экспериментов, сравнивающих фотодетекторы с ними и без них. Они обнаружили, что захват фотонов приводит к значительному улучшению эффективности широкополосного поглощения в ближнем ИК-диапазоне, оставаясь выше 68% с пиком 86%. Стоит отметить, что в ближнем ИК-диапазоне коэффициент поглощения фотодетектора с захватом фотонов в несколько раз выше, чем у обычного кремния, превосходя арсенид галлия. Кроме того, хотя предлагаемая конструкция рассчитана на кремниевые пластины толщиной 1 мкм, моделирование кремниевых пленок толщиной 30 нм и 100 нм, совместимых с КМОП-электроникой, демонстрирует аналогичное улучшение характеристик.
В целом, результаты данного исследования демонстрируют перспективную стратегию повышения эффективности кремниевых фотодетекторов в новых приложениях фотоники. Высокое поглощение может быть достигнуто даже в сверхтонких кремниевых слоях, а паразитная емкость схемы может поддерживаться на низком уровне, что критически важно для высокоскоростных систем. Кроме того, предлагаемый метод совместим с современными КМОП-технологиями производства и, следовательно, может коренным образом изменить подход к интеграции оптоэлектроники в традиционные схемы. Это, в свою очередь, может проложить путь к существенному прорыву в области доступных сверхбыстрых компьютерных сетей и технологий обработки изображений.
Время публикации: 12 ноября 2024 г.