Nuova tecnologia del fotorivelatore al silicio sottile

Nuova tecnologia difotorivelatore al silicio sottile
Le strutture di cattura dei fotoni vengono utilizzate per migliorare l'assorbimento della luce nel sottilefotorivelatori 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 dai costi di produzionefotorilevatori, che a sua volta dipende in gran parte 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 delle industrie è maturata 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 CMOS (complementary metal-oxid semiconductor) utilizzati nella produzione della maggior parte dei componenti elettronici. Ciò ha portato ad un forte aumento dei 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 gruppo di ricerca della UC Davis sta sperimentando una nuova strategia per migliorare notevolmente l’assorbimento della luce nei film sottili di silicio. Nel loro ultimo articolo presso Advanced Photonics Nexus, dimostrano per la prima volta una dimostrazione sperimentale di un fotorilevatore a base di silicio con strutture micro e nano-superficiali che catturano la luce, ottenendo miglioramenti delle prestazioni senza precedenti paragonabili al GaAs e ad altri semiconduttori del gruppo III-V . Il fotorilevatore è costituito da una piastra cilindrica di silicio dello spessore di un micron posta su un substrato isolante, con “dita” metalliche che si estendono a forma di forchetta dal metallo di contatto nella parte superiore della piastra. È importante sottolineare che il silicio grumoso è pieno di fori circolari disposti secondo uno schema periodico che agiscono come 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, permettendole di propagarsi lateralmente lungo il piano del Si. Queste modalità di propagazione laterale aumentano la lunghezza del viaggio della luce e la rallentano effettivamente, portando a maggiori 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 condotto diversi esperimenti confrontando i fotorilevatori con e senza di essi. Hanno scoperto che la cattura dei fotoni ha portato a un miglioramento significativo 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 del vicino infrarosso, il coefficiente di assorbimento del fotorivelatore a cattura di fotoni è molte volte superiore a quello del silicio ordinario, superando l'arseniuro di gallio. Inoltre, sebbene il progetto proposto sia per piastre di silicio spesse 1μm, le simulazioni di pellicole 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 fotorilevatori basati sul silicio nelle applicazioni fotoniche emergenti. È possibile ottenere un elevato assorbimento 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 ha quindi il potenziale per rivoluzionare il modo in cui l'optoelettronica è integrata nei circuiti tradizionali. Ciò, a sua volta, potrebbe aprire la strada a progressi sostanziali nelle reti di computer ultraveloci e nella tecnologia di imaging a prezzi accessibili.