Nuova tecnologia difotodiodo al silicio sottile
Le strutture di cattura dei fotoni vengono utilizzate per migliorare l'assorbimento della luce in strati sottilifotodetectori al silicio
I sistemi fotonici stanno rapidamente guadagnando terreno in molte applicazioni emergenti, tra cui le comunicazioni ottiche, la rilevazione liDAR e l'imaging medicale. Tuttavia, l'adozione diffusa della fotonica nelle soluzioni ingegneristiche future dipenderà dai costi 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 evoluta attorno a questo materiale. Sfortunatamente, il Si ha un coefficiente di assorbimento della luce nello spettro del vicino infrarosso (NIR) relativamente debole rispetto ad altri semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs). Per questo motivo, il GaAs e le leghe correlate prosperano nelle applicazioni fotoniche, ma non sono compatibili con i tradizionali processi a semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS) utilizzati nella produzione della maggior parte dei dispositivi elettronici. Ciò ha portato a un forte aumento dei loro costi di produzione.
I ricercatori hanno ideato un modo per migliorare significativamente l'assorbimento del 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 sperimentando una nuova strategia per migliorare significativamente l'assorbimento della luce nei film sottili di silicio. Nel loro ultimo articolo su Advanced Photonics Nexus, dimostrano per la prima volta la dimostrazione sperimentale di un fotorilevatore a base di silicio con strutture micro e nano-superficiali che catturano la luce, ottenendo miglioramenti prestazionali senza precedenti, paragonabili a quelli del GaAs e di altri semiconduttori del gruppo III-V. Il fotorilevatore 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 forma di forcella dal metallo di contatto nella parte superiore della piastra. È importante notare che il silicio grumoso 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 viaggio della luce e di fatto la rallentano, provocando più interazioni luce-materia e quindi 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 condotto diversi esperimenti confrontando fotodiodo con e senza di esse. Hanno scoperto che la cattura dei fotoni ha portato a un miglioramento significativo dell'efficienza di assorbimento a banda larga nello spettro NIR, rimanendo superiore al 68% con un picco dell'86%. È interessante notare che nella banda del vicino infrarosso, il coefficiente di assorbimento del fotodiodo a cattura dei fotoni è diverse volte superiore a quello del silicio ordinario, superando quello dell'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 al 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, un 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. Questo, a sua volta, potrebbe aprire la strada a sostanziali progressi nelle reti di computer ultraveloci e nella tecnologia di imaging a prezzi accessibili.
Data di pubblicazione: 12 novembre 2024