Nuova tecnologia difotorivelatore in silicio sottile
Le strutture di cattura dei fotoni vengono utilizzate per migliorare l'assorbimento della luce in sottilifotorivelatori al silicio
I sistemi fotonici stanno rapidamente guadagnando terreno in molte applicazioni emergenti, tra cui le comunicazioni ottiche, il rilevamento liDAR e l'imaging medico. Tuttavia, l'adozione diffusa della fotonica nelle future soluzioni ingegneristiche dipende dal costo di produzione.fotorilevatori, che a sua volta dipende in larga misura dal tipo di semiconduttore utilizzato a tale scopo.
Tradizionalmente, il silicio (Si) è stato il semiconduttore più diffuso nell'industria elettronica, tanto che la maggior parte dei settori si è sviluppata attorno a questo materiale. Sfortunatamente, il Si presenta un coefficiente di assorbimento della luce relativamente debole nello spettro del vicino infrarosso (NIR) rispetto ad altri semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs). Per questo motivo, il GaAs e le leghe correlate sono molto utilizzate nelle applicazioni fotoniche, ma non sono compatibili con i tradizionali processi CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) impiegati nella produzione della maggior parte dei dispositivi elettronici. Ciò ha comportato un forte aumento dei costi di produzione.
I ricercatori hanno ideato un modo per migliorare notevolmente l'assorbimento nel vicino infrarosso nel silicio, il che potrebbe portare a una riduzione dei costi nei dispositivi fotonici ad alte prestazioni, e un team di ricerca dell'UC Davis sta aprendo la strada a una nuova strategia per migliorare significativamente l'assorbimento della luce nei film sottili di silicio. Nel loro ultimo articolo pubblicato su Advanced Photonics Nexus, dimostrano per la prima volta una dimostrazione sperimentale di un fotorivelatore a base di silicio con micro e nanostrutture superficiali per la cattura della luce, ottenendo miglioramenti prestazionali senza precedenti, paragonabili a quelli del GaAs e di altri semiconduttori del gruppo III-V. Il fotorivelatore è costituito da una piastra cilindrica di silicio dello spessore di un micron, posizionata su un substrato isolante, con "dita" metalliche che si estendono a forchetta dal contatto metallico nella parte superiore della piastra. È importante sottolineare che il silicio irregolare è riempito di fori circolari disposti secondo uno schema periodico che fungono da siti di cattura dei fotoni. La struttura complessiva del dispositivo fa sì che la luce incidente normalmente si pieghi di quasi 90° quando colpisce la superficie, consentendole di propagarsi lateralmente lungo il piano del silicio. Queste modalità di propagazione laterale aumentano la lunghezza del percorso della luce e la rallentano efficacemente, portando a un maggior numero di interazioni luce-materia e quindi a un maggiore assorbimento.
I ricercatori hanno anche condotto simulazioni ottiche e analisi teoriche per comprendere meglio gli effetti delle strutture di cattura dei fotoni e hanno effettuato diversi esperimenti confrontando i fotorivelatori con e senza di esse. Hanno scoperto che la cattura dei fotoni ha portato a un significativo miglioramento dell'efficienza di assorbimento a banda larga nello spettro NIR, che si mantiene al di sopra del 68% con un picco dell'86%. Vale la pena notare che nella banda del vicino infrarosso, il coefficiente di assorbimento del fotorivelatore a cattura di fotoni è diverse volte superiore a quello del silicio ordinario, superando l'arseniuro di gallio. Inoltre, sebbene il progetto proposto sia per piastre di silicio spesse 1 μm, le simulazioni di film di silicio da 30 nm e 100 nm compatibili con l'elettronica CMOS mostrano prestazioni migliorate simili.
Nel complesso, i risultati di questo studio dimostrano una strategia promettente per migliorare le prestazioni dei fotorivelatori a base di silicio nelle applicazioni fotoniche emergenti. È possibile ottenere un elevato assorbimento anche in strati di silicio ultrasottili e mantenere bassa la capacità parassita del circuito, aspetto fondamentale nei sistemi ad alta velocità. Inoltre, il metodo proposto è compatibile con i moderni processi di produzione CMOS e ha quindi il potenziale per rivoluzionare il modo in cui l'optoelettronica viene integrata nei circuiti tradizionali. Ciò, a sua volta, potrebbe aprire la strada a progressi sostanziali nelle reti informatiche ultraveloci e nelle tecnologie di imaging a costi accessibili.
Data di pubblicazione: 12 novembre 2024