Nuova tecnologia del sottile fotodittore di silicio

Nuova tecnologia diPhotoDetector di silicio sottile
Le strutture di cattura dei fotoni vengono utilizzate per migliorare l'assorbimento della luce in sottilefotodettori di silicio
I sistemi fotonici stanno rapidamente guadagnando trazione in molte applicazioni emergenti, tra cui comunicazioni ottiche, rilevamento lidar e imaging medico. Tuttavia, l'adozione diffusa della fotonica nelle future soluzioni di ingegneria dipende dal costo della produzionePhotoDetector, che a sua volta dipende in gran parte dal tipo di semiconduttore usato a tale scopo.
Tradizionalmente, il silicio (SI) è stato il semiconduttore più onnipresente nel settore dell'elettronica, al punto che la maggior parte delle industrie è maturata attorno a questo materiale. Sfortunatamente, SI ha un coefficiente di assorbimento della luce relativamente debole nello spettro vicino a infrarossi (NIR) rispetto ad altri semiconduttori come l'arsenuro di gallio (GAAS). Per questo motivo, i GAA e le leghe correlate sono fiorenti nelle applicazioni fotoniche ma non sono compatibili con i tradizionali processi di semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS) utilizzati nella produzione della maggior parte dell'elettronica. Ciò ha portato a un forte aumento dei loro costi di produzione.
I ricercatori hanno ideato un modo per migliorare notevolmente l'assorbimento del vicino infrarosso nel silicio, il che potrebbe portare a riduzioni dei costi nei dispositivi fotonici ad alte prestazioni e un team di ricerca UC Davis sta pionieri una nuova strategia per migliorare notevolmente l'assorbimento della luce nei film sottili di silicio. Nel loro ultimo documento presso il Nexus avanzato Photonics, dimostrano per la prima volta una dimostrazione sperimentale di un fototetettore a base di silicio con strutture micro e nano-superficie a cattura della luce, ottenendo miglioramenti di prestazioni senza precedenti paragonabili a GAAS e altri semiconduttori del gruppo III-V. Il fotoDetector è costituito da una piastra di silicio cilindrica spessa micron posizionata su un substrato isolante, con "dita" in metallo che si estende in modo di dito dal metallo di contatto nella parte superiore della piastra. È importante sottolineare che il silicio grumoso è pieno di fori circolari disposti in uno schema periodico che funge da siti di cattura dei fotoni. La struttura complessiva del dispositivo fa piegare la luce normalmente incidente di quasi 90 ° quando colpisce la superficie, permettendogli di propagare lateralmente lungo il piano Si. Queste modalità di propagazione laterale aumentano la lunghezza del viaggio della luce e lo rallentano efficacemente, portando a più interazioni della luce della luce e quindi a un aumento dell'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 i fotodettori con e senza di loro. Hanno scoperto che la cattura dei fotoni ha portato a un significativo miglioramento dell'efficienza di assorbimento della banda larga nello spettro NIR, rimanendo al di sopra del 68% con un picco dell'86%. Vale la pena notare che nella banda a infrarossi quasi a infrarossi, il coefficiente di assorbimento del fotodettore di cattura dei fotoni è più volte superiore a quello del silicio ordinario, che supera l'arsenuro di gallio. Inoltre, sebbene il design proposto sia per piastre di silicio spesso 1 μm, simulazioni di film di silicio da 30 nm e 100 nm compatibili con CMOS Electronics mostrano prestazioni migliorate simili.
Nel complesso, i risultati di questo studio dimostrano una strategia promettente per migliorare le prestazioni dei fotodettori a base di silicio nelle applicazioni fotoniche emergenti. L'elevato assorbimento può essere ottenuto anche in strati di silicio ultrasottili e la capacità parassita del circuito può essere mantenuta bassa, il che è fondamentale nei sistemi ad alta velocità. Inoltre, il metodo proposto è compatibile con i moderni processi di produzione CMOS e quindi ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui l'optoelettronica è integrata nei circuiti tradizionali. Questo, a sua volta, potrebbe aprire la strada a un notevole salto in reti di computer ultraveluti a prezzi accessibili e tecnologia di imaging.