Teknologi baru fotodetektor silikon tipis

Teknologi baruFotodetektor silikon tipis
Struktur penangkapan foton digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam tipisFotodetektor silikon
Sistem fotonik dengan cepat mendapatkan traksi dalam banyak aplikasi yang muncul, termasuk komunikasi optik, penginderaan lidar, dan pencitraan medis. Namun, adopsi fotonik yang meluas dalam solusi teknik masa depan tergantung pada biaya pembuatanfotodetektor, yang pada gilirannya sangat tergantung pada jenis semikonduktor yang digunakan untuk tujuan itu.
Secara tradisional, silikon (SI) telah menjadi semikonduktor paling di mana -mana di industri elektronik, sedemikian rupa sehingga sebagian besar industri telah matang di sekitar materi ini. Sayangnya, SI memiliki koefisien penyerapan cahaya yang relatif lemah dalam spektrum inframerah dekat (NIR) dibandingkan dengan semikonduktor lain seperti gallium arsenide (GAAS). Karena itu, GaA dan paduan terkait berkembang dalam aplikasi fotonik tetapi tidak kompatibel dengan proses semikonduktor logam-oksida komplementer (CMOS) yang digunakan dalam produksi sebagian besar elektronik. Ini menyebabkan peningkatan tajam dalam biaya produksi mereka.
Para peneliti telah menemukan cara untuk sangat meningkatkan penyerapan inframerah-dekat pada silikon, yang dapat menyebabkan pengurangan biaya pada perangkat fotonik berkinerja tinggi, dan tim peneliti UC Davis memelopori strategi baru untuk sangat meningkatkan penyerapan cahaya dalam film tipis silikon. Dalam makalah terbaru mereka di canggih fotonik nexus, mereka menunjukkan untuk pertama kalinya demonstrasi eksperimental fotodetektor berbasis silikon dengan struktur mikro-dan permukaan nano-penangkapan cahaya, mencapai peningkatan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya yang sebanding dengan GAA dan semikonduktor kelompok III-V lainnya. Fotodetektor terdiri dari pelat silikon silinder tebal mikron yang ditempatkan pada substrat isolasi, dengan "jari" logam memanjang dengan cara jari-jari dari logam kontak di bagian atas piring. Yang penting, silikon kencang diisi dengan lubang melingkar yang disusun dalam pola periodik yang bertindak sebagai tempat penangkapan foton. Struktur keseluruhan perangkat menyebabkan cahaya yang biasanya terjadi ditekuk hampir 90 ° ketika menyentuh permukaan, memungkinkannya merambat secara lateral di sepanjang bidang Si. Mode propagasi lateral ini meningkatkan panjang perjalanan cahaya dan secara efektif memperlambatnya, yang mengarah ke lebih banyak interaksi materi ringan dan dengan demikian meningkatkan penyerapan.
Para peneliti juga melakukan simulasi optik dan analisis teoritis untuk lebih memahami efek struktur penangkapan foton, dan melakukan beberapa percobaan yang membandingkan fotodetektor dengan dan tanpa mereka. Mereka menemukan bahwa penangkapan foton menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam efisiensi penyerapan broadband dalam spektrum NIR, tetap di atas 68% dengan puncak 86%. Perlu dicatat bahwa dalam pita inframerah dekat, koefisien penyerapan fotodetektor penangkapan foton beberapa kali lebih tinggi daripada silikon biasa, melebihi gallium arsenide. Selain itu, meskipun desain yang diusulkan adalah untuk pelat silikon setebal 1μm, simulasi film silikon 30 nm dan 100 nm yang kompatibel dengan elektronik CMOS menunjukkan kinerja yang lebih baik.
Secara keseluruhan, hasil penelitian ini menunjukkan strategi yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja fotodetektor berbasis silikon dalam aplikasi fotonik yang muncul. Penyerapan tinggi dapat dicapai bahkan pada lapisan silikon yang sangat tipis, dan kapasitansi parasit sirkuit dapat dijaga tetap rendah, yang sangat penting dalam sistem berkecepatan tinggi. Selain itu, metode yang diusulkan kompatibel dengan proses pembuatan CMOS modern dan karenanya memiliki potensi untuk merevolusi cara optoelektronika diintegrasikan ke dalam sirkuit tradisional. Ini, pada gilirannya, dapat membuka jalan bagi lompatan besar dalam jaringan komputer ultrafast yang terjangkau dan teknologi pencitraan.