Nauja technologijaplonas silicio fotodetektorius
Fotonų gaudymo struktūros naudojamos šviesos sugerčiai pagerinti plonuose sluoksniuosesilicio fotodetektoriai
Fotoninės sistemos sparčiai populiarėja daugelyje naujų taikymo sričių, įskaitant optinį ryšį, liDAR jutiklius ir medicininį vaizdavimą. Tačiau platus fotonikos pritaikymas ateities inžineriniuose sprendimuose priklauso nuo gamybos sąnaudų.fotodetektoriai, o tai savo ruožtu labai priklauso nuo tam tikslui naudojamo puslaidininkio tipo.
Tradiciškai silicis (Si) buvo labiausiai paplitęs puslaidininkis elektronikos pramonėje, todėl dauguma pramonės šakų subrendo aplink šią medžiagą. Deja, Si turi santykinai silpną šviesos sugerties koeficientą artimojoje infraraudonųjų spindulių (NIR) spektre, palyginti su kitais puslaidininkiais, tokiais kaip galio arsenidas (GaAs). Dėl šios priežasties GaAs ir susiję lydiniai klesti fotonikos srityje, tačiau nėra suderinami su tradiciniais komplementariaisiais metalo oksido puslaidininkių (CMOS) procesais, naudojamais daugumos elektronikos gaminių gamyboje. Dėl to smarkiai išaugo jų gamybos sąnaudos.
Tyrėjai sugalvojo būdą, kaip gerokai padidinti artimojo infraraudonojo spinduliavimo absorbciją silicyje, o tai galėtų sumažinti didelio našumo fotoninių prietaisų kainą, o UC Davis tyrimų komanda kuria naują strategiją, kaip gerokai pagerinti šviesos absorbciją plonose silicio plėvelėse. Savo naujausiame straipsnyje „Advanced Photonics Nexus“ jie pirmą kartą pademonstravo eksperimentinį silicio pagrindu pagamintą fotodetektorių su šviesą fiksuojančiomis mikro- ir nanopaviršiaus struktūromis, pasiekiant precedento neturinčius našumo patobulinimus, palyginamus su GaAs ir kitais III-V grupės puslaidininkiais. Fotodetektorių sudaro mikrono storio cilindrinė silicio plokštė, uždėta ant izoliacinio pagrindo, o metaliniai „pirštai“ išsikiša pirštų šakutės pavidalu iš kontaktinio metalo plokštės viršuje. Svarbu tai, kad gumbuotas silicis yra užpildytas periodiškai išdėstytomis apskritomis skylėmis, kurios veikia kaip fotonų gaudymo vietos. Bendra prietaiso struktūra lemia, kad paprastai krintanti šviesa, atsitrenkusi į paviršių, išlinksta beveik 90° kampu, todėl ji gali sklisti šonu išilgai Si plokštumos. Šie šoniniai sklidimo režimai padidina šviesos kelio ilgį ir ją efektyviai sulėtina, todėl padidėja šviesos ir materijos sąveika ir taip padidėja absorbcija.
Tyrėjai taip pat atliko optinius modeliavimus ir teorines analizes, kad geriau suprastų fotonų gaudymo struktūrų poveikį, ir atliko keletą eksperimentų, lygindami fotodetektorius su jomis ir be jų. Jie nustatė, kad fotonų gaudymas žymiai pagerino plačiajuosčio sugerties efektyvumą artimojo infraraudonojo spektro srityje, kuris išliko didesnis nei 68 %, o didžiausias rodiklis siekė 86 %. Verta paminėti, kad artimojo infraraudonojo spektro juostoje fotonų gaudymo fotodetektoriaus sugerties koeficientas yra kelis kartus didesnis nei įprasto silicio, viršijantis galio arsenido. Be to, nors siūloma konstrukcija skirta 1 μm storio silicio plokštėms, 30 nm ir 100 nm silicio plėvelių, suderinamų su CMOS elektronika, modeliavimas rodo panašų pagerėjusį našumą.
Apskritai šio tyrimo rezultatai rodo perspektyvią silicio pagrindu veikiančių fotodetektorių našumo gerinimo strategiją naujose fotonikos srityse. Didelę absorbciją galima pasiekti net ir itin plonuose silicio sluoksniuose, o grandinės parazitinė talpa gali būti išlaikyta maža, o tai labai svarbu didelės spartos sistemose. Be to, siūlomas metodas yra suderinamas su šiuolaikiniais CMOS gamybos procesais ir todėl turi potencialą revoliucijai optoelektronikos integravimo į tradicines grandines būduose. Tai, savo ruožtu, galėtų atverti kelią dideliems šuoliams įperkamų itin sparčių kompiuterių tinklų ir vaizdo gavimo technologijų srityje.
Įrašo laikas: 2024 m. lapkričio 12 d.