Новая технологиятонкий кремниевый фотодетектор
Структуры для захвата фотонов используются для усиления поглощения света в тонких пленках.кремниевые фотодетекторы
Фотонные системы быстро набирают популярность во многих новых областях применения, 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 наиболее распространенным полупроводником в электронной промышленности, настолько распространенным, что большинство отраслей промышленности развивались вокруг этого материала. К сожалению, Si имеет относительно низкий коэффициент поглощения света в ближнем инфракрасном (ИК) спектре по сравнению с другими полупроводниками, такими как арсенид галлия (GaAs). Из-за этого GaAs и родственные сплавы успешно используются в фотонных приложениях, но несовместимы с традиционными комплементарными металл-оксидными полупроводниковыми (CMOS) процессами, используемыми в производстве большинства электронных устройств. Это привело к резкому увеличению их себестоимости.
Исследователи разработали способ значительного усиления поглощения ближнего инфракрасного излучения в кремнии, что может привести к снижению стоимости высокоэффективных фотонных устройств. Группа исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе разрабатывает новую стратегию для значительного улучшения поглощения света в тонких кремниевых пленках. В своей последней статье на конференции Advanced Photonics Nexus они впервые продемонстрировали экспериментальную работу кремниевого фотодетектора с микро- и наноструктурами поверхности, улавливающими свет, достигнув беспрецедентного повышения производительности, сравнимого с GaAs и другими полупроводниками III-V групп. Фотодетектор состоит из цилиндрической кремниевой пластины толщиной в несколько микрон, расположенной на изолирующей подложке, с металлическими «пальцами», выступающими в виде раздвоенных выступов из контактного металла в верхней части пластины. Важно отметить, что неровный кремний заполнен круглыми отверстиями, расположенными в периодическом порядке, которые действуют как места захвата фотонов. Общая структура устройства приводит к тому, что падающий перпендикулярно свет преломляется почти на 90° при попадании на поверхность, позволяя ему распространяться вбок вдоль плоскости кремния. Эти режимы бокового распространения увеличивают длину пути света и фактически замедляют его, что приводит к большему количеству взаимодействий света с веществом и, следовательно, к увеличению поглощения.
Исследователи также провели оптическое моделирование и теоретический анализ для лучшего понимания влияния структур захвата фотонов, а также несколько экспериментов по сравнению фотодетекторов с ними и без них. Они обнаружили, что захват фотонов приводит к значительному улучшению эффективности широкополосного поглощения в ближнем инфракрасном спектре, оставаясь выше 68% с пиком в 86%. Стоит отметить, что в ближнем инфракрасном диапазоне коэффициент поглощения фотодетектора, использующего захват фотонов, в несколько раз выше, чем у обычного кремния, превосходя арсенид галлия. Кроме того, хотя предложенная конструкция предназначена для кремниевых пластин толщиной 1 мкм, моделирование кремниевых пленок толщиной 30 нм и 100 нм, совместимых с КМОП-электроникой, показывает аналогичное улучшение характеристик.
В целом, результаты этого исследования демонстрируют многообещающую стратегию повышения производительности кремниевых фотодетекторов в перспективных фотонных приложениях. Высокое поглощение может быть достигнуто даже в сверхтонких кремниевых слоях, а паразитная емкость схемы может оставаться низкой, что критически важно для высокоскоростных систем. Кроме того, предложенный метод совместим с современными процессами производства КМОП-технологий и, следовательно, имеет потенциал для революционизации способов интеграции оптоэлектроники в традиционные схемы. Это, в свою очередь, может проложить путь к существенным прорывам в области доступных сверхбыстрых компьютерных сетей и технологий обработки изображений.
Дата публикации: 12 ноября 2024 г.