Jauna plāna silīcija fotodetektora tehnoloģija

Jauna tehnoloģijaplāns silīcija fotodetektors
Fotonu uztveršanas struktūras tiek izmantotas, lai uzlabotu gaismas absorbciju plānāssilīcija fotodetektori
Fotoniskās sistēmas strauji kļūst arvien populārākas daudzās jaunās lietojumprogrammās, tostarp optiskajos sakaros, liDAR sensoros un medicīniskajā attēlveidošanā. Tomēr fotonikas plašā ieviešana nākotnes inženiertehniskajos risinājumos ir atkarīga no ražošanas izmaksāmfotodetektori, kas savukārt lielā mērā ir atkarīgs no šim nolūkam izmantotā pusvadītāja veida.
Tradicionāli silīcijs (Si) ir bijis visizplatītākais pusvadītājs elektronikas nozarē, tik ļoti, ka lielākā daļa nozaru ir nobriedušas ap šo materiālu. Diemžēl Si ir salīdzinoši vājš gaismas absorbcijas koeficients tuvajā infrasarkanajā (NIR) spektrā, salīdzinot ar citiem pusvadītājiem, piemēram, gallija arsenīdu (GaAs). Šī iemesla dēļ GaAs un saistītie sakausējumi plaukst fotonikas lietojumos, taču tie nav saderīgi ar tradicionālajiem papildu metāla oksīda pusvadītāju (CMOS) procesiem, ko izmanto lielākās daļas elektronikas ražošanā. Tas izraisīja strauju to ražošanas izmaksu pieaugumu.
Pētnieki ir izstrādājuši veidu, kā ievērojami uzlabot gandrīz infrasarkano staru absorbciju silīcijā, kas varētu novest pie izmaksu samazinājuma augstas veiktspējas fotoniskajās ierīcēs, un UC Davis pētniecības grupa ir novatoriska stratēģija, lai ievērojami uzlabotu gaismas absorbciju silīcija plānās plēvēs. Savā jaunākajā rakstā Advanced Photonics Nexus viņi pirmo reizi demonstrē uz silīcija bāzes veidota fotodetektora eksperimentālu demonstrāciju ar gaismu uztverošām mikro un nano virsmas struktūrām, panākot bezprecedenta veiktspējas uzlabojumus, kas ir salīdzināmi ar GaAs un citiem III-V grupas pusvadītājiem. . Fotodetektors sastāv no mikronu biezas cilindriskas silīcija plāksnes, kas novietota uz izolācijas pamatnes, ar metāla “pirkstiem”, kas stiepjas pirkstu dakšu veidā no kontaktmetāla plāksnes augšpusē. Svarīgi, ka viengabalains silīcijs ir piepildīts ar apaļiem caurumiem, kas sakārtoti periodiski un darbojas kā fotonu uztveršanas vietas. Ierīces kopējā struktūra liek parasti krītošajai gaismai saliekties par gandrīz 90°, kad tā skar virsmu, ļaujot tai izplatīties sāniski pa Si plakni. Šie sānu izplatīšanās režīmi palielina gaismas ceļa garumu un efektīvi to palēnina, izraisot lielāku gaismas vielu mijiedarbību un tādējādi palielinot absorbciju.
Pētnieki veica arī optiskās simulācijas un teorētiskās analīzes, lai labāk izprastu fotonu uztveršanas struktūru ietekmi, un veica vairākus eksperimentus, salīdzinot fotodetektorus ar un bez tiem. Viņi atklāja, ka fotonu uztveršana ievērojami uzlaboja platjoslas absorbcijas efektivitāti NIR spektrā, saglabājot virs 68% un maksimumu 86%. Ir vērts atzīmēt, ka tuvajā infrasarkanajā joslā fotonu uztveršanas fotodetektora absorbcijas koeficients ir vairākas reizes lielāks nekā parastajam silīcijam, pārsniedzot gallija arsenīdu. Turklāt, lai gan ierosinātais dizains ir paredzēts 1 μm biezām silīcija plāksnēm, ar CMOS elektroniku saderīgu 30 nm un 100 nm silīcija plēvju simulācijas uzrāda līdzīgu uzlabotu veiktspēju.
Kopumā šī pētījuma rezultāti parāda daudzsološu stratēģiju silīcija fotodetektoru veiktspējas uzlabošanai jaunos fotonikas lietojumos. Augstu absorbciju var sasniegt pat īpaši plānos silīcija slāņos, un ķēdes parazītisko kapacitāti var uzturēt zemu, kas ir ļoti svarīgi ātrgaitas sistēmās. Turklāt piedāvātā metode ir saderīga ar mūsdienu CMOS ražošanas procesiem, un tāpēc tai ir potenciāls mainīt veidu, kā optoelektronika tiek integrēta tradicionālajās shēmās. Tas savukārt varētu pavērt ceļu būtiskiem lēcieniem pieejamos īpaši ātro datortīklos un attēlveidošanas tehnoloģijās.