Nova tecnoloxía defotodetector de silicio fino
As estruturas de captura de fotóns utilízanse para mellorar a absorción de luz en superficies delgadasfotodetectores de silicio
Os sistemas fotónicos están a gañar forza rapidamente en moitas aplicacións emerxentes, como as comunicacións ópticas, a detección liDAR e a imaxe médica. Non obstante, a adopción xeneralizada da fotónica nas futuras solucións de enxeñaría depende do custo de fabricación.fotodetectores, que á súa vez depende en gran medida do tipo de semicondutor empregado para ese propósito.
Tradicionalmente, o silicio (Si) foi o semicondutor máis omnipresente na industria electrónica, ata o punto de que a maioría das industrias maduraron arredor deste material. Desafortunadamente, o Si ten un coeficiente de absorción de luz relativamente débil no espectro do infravermello próximo (NIR) en comparación con outros semicondutores como o arseniuro de galio (GaAs). Debido a isto, o GaAs e as aliaxes relacionadas prosperan en aplicacións fotónicas, pero non son compatibles cos procesos tradicionais de semicondutores de óxido metálico complementarios (CMOS) utilizados na produción da maioría dos produtos electrónicos. Isto levou a un forte aumento nos seus custos de fabricación.
Investigadores idearon un xeito de mellorar considerablemente a absorción do infravermello próximo no silicio, o que podería levar a reducións de custos en dispositivos fotónicos de alto rendemento, e un equipo de investigación da UC Davis está a ser pioneiro nunha nova estratexia para mellorar considerablemente a absorción da luz en películas delgadas de silicio. No seu último artigo en Advanced Photonics Nexus, amosan por primeira vez unha demostración experimental dun fotodetector baseado en silicio con microestruturas e nanoestruturas de superficie que capturan luz, logrando melloras de rendemento sen precedentes comparables ao GaAs e outros semicondutores do grupo III-V. O fotodetector consiste nunha placa de silicio cilíndrica de micras de grosor colocada sobre un substrato illante, con "dedos" metálicos que se estenden en forma de forquita desde o metal de contacto na parte superior da placa. É importante destacar que o silicio grumoso está cheo de buratos circulares dispostos nun patrón periódico que actúan como sitios de captura de fotóns. A estrutura xeral do dispositivo fai que a luz normalmente incidente se curve case 90° cando golpea a superficie, o que lle permite propagarse lateralmente ao longo do plano do Si. Estes modos de propagación lateral aumentan a lonxitude do percorrido da luz e a ralentizan eficazmente, o que leva a máis interaccións luz-materia e, polo tanto, a unha maior absorción.
Os investigadores tamén realizaron simulacións ópticas e análises teóricas para comprender mellor os efectos das estruturas de captura de fotóns e levaron a cabo varios experimentos comparando fotodetectores con e sen eles. Descubriron que a captura de fotóns levou a unha mellora significativa na eficiencia de absorción de banda ancha no espectro NIR, manténdose por riba do 68 % cun pico do 86 %. Cómpre sinalar que na banda do infravermello próximo, o coeficiente de absorción do fotodetector de captura de fotóns é varias veces maior que o do silicio ordinario, superando o arseniuro de galio. Ademais, aínda que o deseño proposto é para placas de silicio de 1 μm de grosor, as simulacións de películas de silicio de 30 nm e 100 nm compatibles con electrónica CMOS mostran un rendemento mellorado similar.
En xeral, os resultados deste estudo demostran unha estratexia prometedora para mellorar o rendemento dos fotodetectores baseados en silicio en aplicacións fotónicas emerxentes. Pódese conseguir unha alta absorción mesmo en capas de silicio ultrafinas e a capacitancia parasitaria do circuíto pódese manter baixa, o que é fundamental nos sistemas de alta velocidade. Ademais, o método proposto é compatible cos procesos de fabricación CMOS modernos e, polo tanto, ten o potencial de revolucionar a forma en que a optoelectrónica se integra nos circuítos tradicionais. Isto, á súa vez, podería allanar o camiño para avances substanciais nas redes informáticas ultrarrápidas accesibles e na tecnoloxía de imaxes.
Data de publicación: 12 de novembro de 2024