Nuova tecnologia del fotodetettore al silicio sottile

Nuova tecnologia difotorilevatore al silicio sottile
Le strutture di cattura dei fotoni vengono utilizzate per migliorare l'assorbimento della luce in strati sottilifotodetector 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 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 sviluppata 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 stanno prosperando nelle applicazioni fotoniche, ma non sono compatibili con i tradizionali processi CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 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 notevolmente 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 realizzazione 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 normalmente incidente 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, determinando maggiori 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 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.