Nova tecnoloxía defotodetector fino de silicio
As estruturas de captura de fotóns úsanse para mellorar a absorción de luz en delgadasfotodetectores de silicio
Os sistemas fotónicos están gañando rapidamente tracción en moitas aplicacións emerxentes, incluíndo comunicacións ópticas, detección de lidar e imaxes médicas. Non obstante, a adopción xeneralizada da fotónica en futuras solucións de enxeñería depende do custo da fabricaciónfotodetectores, que á súa vez depende en gran medida do tipo de semiconductor usado para ese propósito.
Tradicionalmente, o silicio (SI) foi o semiconductor máis omnipresente na industria electrónica, tanto que a maioría das industrias maduraron ao redor deste material. Por desgraza, SI ten un coeficiente de absorción de luz relativamente débil no espectro próximo infravermello (NIR) en comparación con outros semicondutores como o arsenido de galio (GAAs). Por iso, GAAs e aliaxes relacionadas prosperan en aplicacións fotónicas, pero non son compatibles cos procesos tradicionais de semiconductor de óxido metálico (CMOS) utilizados na produción da maioría dos electrónicos. Isto provocou un forte aumento dos seus custos de fabricación.
Os investigadores idearon un xeito de mellorar moito a absorción de infravermello en silicio, o que podería levar a reducións de custos nos dispositivos fotónicos de alto rendemento, e un equipo de investigación Davis da UC é pioneiro nunha nova estratexia para mellorar enormemente a absorción de luz nas películas finas de silicio. No seu último artigo en Nexus Photonics avanzado, demostran por primeira vez unha demostración experimental dun fotodetector a base de silicio con estruturas de micro-superficie de captura de luz e nano-superficie, logrando melloras de rendemento sen precedentes comparables ás GAAs e outros semicondutores do grupo III-V. O fotodetector consta dunha placa de silicio cilíndrico de grosor micron colocada sobre un substrato illante, con "dedos" metálicos que se estenden de forma de dedo do metal de contacto na parte superior da placa. É importante destacar que o silicio terrible está cheo de buracos circulares dispostos nun patrón periódico que actúan como sitios de captura de fotóns. A estrutura global do dispositivo fai que a luz normalmente incidente se dobra case a 90 ° cando chega á superficie, permitíndolle propagar lateralmente ao longo do plano SI. Estes modos de propagación lateral aumentan a lonxitude das viaxes da luz e retardan efectivamente, o que conduce a máis interaccións de materia de luz e aumentou así a absorción.
Os investigadores tamén realizaron simulacións ópticas e análises teóricas para comprender mellor os efectos das estruturas de captura de fotóns e realizaron varios experimentos comparando fotodetectores con e sen elas. Descubriron que a captura de fotóns levou a unha mellora significativa da eficiencia de absorción de banda ancha no espectro NIR, manténdose por encima do 68% cun pico do 86%. É de destacar que na banda de infravermello próximo, o coeficiente de absorción do fotón de captura de fotóns é varias veces superior ao do silicio común, superando o arsenido de galio. Ademais, aínda que o deseño proposto é para placas de silicio de 1 μm de grosor, simulacións de películas de silicio de 30 nm e 100 nm compatibles coa electrónica CMOS mostran un rendemento mellorado similar.
En xeral, os resultados deste estudo demostran unha estratexia prometedora para mellorar o rendemento de fotodetectores baseados en silicio en aplicacións de fotónicas emerxentes. Pódese conseguir unha alta absorción incluso en capas de silicio ultra-fino, e a capacitancia parasitaria do circuíto pode manterse baixa, o que é fundamental nos sistemas de alta velocidade. Ademais, o método proposto é compatible cos modernos procesos de fabricación de CMOS e, polo tanto, ten o potencial de revolucionar o xeito no que a optoelectrónica está integrada nos circuítos tradicionais. Á súa vez, isto podería abrir o camiño para saltar substanciais en redes de computadoras ultravas e tecnoloxía de imaxe asequibles.
Tempo post: 12-2024 de novembro