Nova tecnoloxía defotodetector de silicio fino
As estruturas de captura de fotóns utilízanse para mellorar a absorción da luz en capas finasfotodetectores de silicio
Os sistemas fotónicos están gañando tracción rapidamente en moitas aplicacións emerxentes, incluíndo comunicacións ópticas, detección liDAR e imaxes médicas. Non obstante, a adopción xeneralizada da fotónica en futuras solucións de enxeñería depende do custo de fabricación.fotodetectores, que á súa vez depende en gran medida do tipo de semicondutor empregado para tal fin.
Tradicionalmente, o silicio (Si) foi o semicondutor máis ubicuo na industria electrónica, tanto 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 están prosperando en aplicacións fotónicas pero non son compatibles cos procesos tradicionais de semicondutores de óxido metálico complementario (CMOS) utilizados na produción da maioría da electrónica. Isto levou a un forte aumento dos seus custos de fabricación.
Os investigadores idearon unha forma de mellorar moito a absorción do infravermello próximo no silicio, o que podería levar a reducións de custos nos dispositivos fotónicos de alto rendemento, e un equipo de investigación da UC Davis está a ser pioneiro nunha nova estratexia para mellorar moito a absorción de luz nas películas finas de silicio. No seu último traballo en Advanced Photonics Nexus, demostran por primeira vez unha demostración experimental dun fotodetector baseado en silicio con estruturas micro e nanosuperficiais que captan luz, logrando melloras de rendemento sen precedentes comparables co GaAs e outros semicondutores do grupo III-V. . O fotodetector consiste nunha placa de silicio cilíndrica de micras de espesor colocada sobre un substrato illante, con "dedos" metálicos que se estenden en forma de garfo 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 doble uns 90° cando chega á superficie, o que lle permite propagarse lateralmente ao longo do plano Si. Estes modos de propagación lateral aumentan a lonxitude da viaxe da luz e ralentízana efectivamente, o que provoca máis interaccións luz-materia e, polo tanto, unha maior 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 eles. Descubriron que a captura de fotóns levou a unha mellora significativa na eficiencia de absorción de banda ancha no espectro NIR, mantendo por riba do 68% cun pico do 86%. Cabe destacar que na banda do infravermello próximo, o coeficiente de absorción do fotodetector de captura de fotóns é varias veces maior que o do silicio común, superando o arseniuro de galio. Ademais, aínda que o deseño proposto é para placas de silicio de 1 μm de espesor, as 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 dos fotodetectores baseados en silicio en aplicacións fotónicas emerxentes. Pódese conseguir unha alta absorción incluso en capas de silicio ultrafinas e a capacidade 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 imaxe.
Hora de publicación: 12-novembro-2024