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 будущие инженерные решения зависит от стоимости производства.фотодетекторы, 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 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). По этой причине GaAs и родственные сплавы широко используются в фотонных приложениях, но они несовместимы с традиционными технологиями комплементарного металлооксидного полупроводника (КМОП), используемыми в производстве большей части электроники. Это привело к резкому увеличению себестоимости их производства.
Исследователи разработали способ значительно улучшить поглощение ближнего инфракрасного диапазона в кремнии, что может привести к снижению стоимости высокопроизводительных фотонных устройств, а исследовательская группа Калифорнийского университета в Дэвисе разрабатывает новую стратегию, позволяющую значительно улучшить поглощение света в тонких кремниевых пленках. В своей последней статье на Advanced Photonics Nexus они впервые демонстрируют экспериментальную демонстрацию фотодетектора на основе кремния со светозахватывающими микро- и наноструктурами поверхности, достигая беспрецедентного улучшения производительности, сравнимого с GaAs и другими полупроводниками групп III-V. . Фотодетектор состоит из цилиндрической кремниевой пластины микронной толщины, помещенной на изолирующую подложку, с металлическими «пальцами», отходящими в виде вилки от контактного металла в верхней части пластины. Важно отметить, что комковатый кремний заполнен круглыми отверстиями, расположенными в периодическом порядке, 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 режимы бокового распространения увеличивают длину пути света и эффективно замедляют его, что приводит к большему взаимодействию света с материей и, следовательно, к увеличению поглощения.
Исследователи также провели оптическое моделирование и теоретический анализ, чтобы лучше понять эффекты структур захвата фотонов, а также провели несколько экспериментов, сравнивая фотодетекторы с ними и без них. Они обнаружили, что захват фотонов привел к значительному улучшению эффективности широкополосного поглощения в ближнем ИК-спектре, оставаясь выше 68% с пиком 86%. Стоит отметить, что в ближнем инфракрасном диапазоне коэффициент поглощения фотоприемника 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 кремниевых пленок толщиной 30 и 100 нм, совместимых с КМОП-электроникой, демонстрирует аналогичные 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 ультратонких слоях кремния, а паразитная емкость схемы может поддерживаться на низком уровне, что критически важно в высокоскоростных системах. Кроме того, предлагаемый метод совместим с современными процессами производства КМОП и, следовательно, может революционизировать способы интеграции оптоэлектроники в традиционные схемы. Это, в свою очередь, может проложить путь к существенному прорыву в доступных сверхбыстрых компьютерных сетях и технологиях обработки изображений.
Время публикации: 12 ноября 2024 г.