Teknologi barufotodetektor silikon tipis
Struktur penangkapan foton digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam lapisan tipisfotodetektor silikon
Sistem fotonik sedang berkembang pesat dalam berbagai aplikasi baru, termasuk komunikasi optik, penginderaan LiDAR, dan pencitraan medis. Namun, adopsi fotonik secara luas dalam solusi rekayasa masa depan bergantung pada biaya manufaktur.fotodetektor, yang pada gilirannya sangat bergantung pada jenis semikonduktor yang digunakan untuk tujuan tersebut.
Secara tradisional, silikon (Si) merupakan semikonduktor yang paling umum digunakan dalam industri elektronik, sehingga sebagian besar industri telah berkembang pesat berkat material ini. Sayangnya, Si memiliki koefisien penyerapan cahaya yang relatif lemah dalam spektrum inframerah dekat (NIR) dibandingkan dengan semikonduktor lain seperti galium arsenida (GaAs). Oleh karena itu, GaAs dan paduan terkaitnya berkembang pesat dalam aplikasi fotonik, tetapi tidak kompatibel dengan proses semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) tradisional yang digunakan dalam produksi sebagian besar produk elektronik. Hal ini menyebabkan peningkatan tajam dalam biaya produksinya.
Para peneliti telah menemukan cara untuk meningkatkan penyerapan inframerah-dekat secara signifikan pada silikon, yang dapat menghasilkan pengurangan biaya pada perangkat fotonik berkinerja tinggi. Tim peneliti dari UC Davis sedang mempelopori strategi baru untuk meningkatkan penyerapan cahaya secara signifikan pada lapisan tipis silikon. Dalam makalah terbaru mereka di Advanced Photonics Nexus, mereka untuk pertama kalinya mendemonstrasikan demonstrasi eksperimental fotodetektor berbasis silikon dengan struktur permukaan mikro dan nano penangkap cahaya, yang mencapai peningkatan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya, sebanding dengan GaAs dan semikonduktor golongan III-V lainnya. Fotodetektor ini terdiri dari pelat silikon silinder setebal mikron yang diletakkan di atas substrat isolasi, dengan "jari-jari" logam yang memanjang seperti garpu jari dari logam kontak di bagian atas pelat. Yang terpenting, silikon yang menggumpal ini diisi dengan lubang-lubang melingkar yang tersusun dalam pola periodik yang berfungsi sebagai tempat penangkapan foton. Struktur keseluruhan perangkat ini menyebabkan cahaya yang biasanya datang dibelokkan hampir 90° ketika mengenai permukaan, memungkinkannya merambat secara lateral di sepanjang bidang Si. Mode perambatan lateral ini meningkatkan panjang perjalanan cahaya dan secara efektif memperlambatnya, sehingga menyebabkan lebih banyak interaksi cahaya-materi dan dengan demikian meningkatkan penyerapan.
Para peneliti juga melakukan simulasi optik dan analisis teoretis untuk lebih memahami efek struktur penangkap foton, serta melakukan beberapa eksperimen yang membandingkan fotodetektor dengan dan tanpa struktur penangkap foton. Mereka menemukan bahwa penangkapan foton menghasilkan peningkatan signifikan dalam efisiensi penyerapan pita lebar pada spektrum NIR, tetap di atas 68% dengan puncak 86%. Perlu dicatat bahwa pada pita inframerah dekat, koefisien penyerapan fotodetektor penangkap foton beberapa kali lebih tinggi daripada silikon biasa, bahkan melebihi galium arsenida. Selain itu, meskipun desain yang diusulkan menggunakan pelat silikon setebal 1μm, simulasi film silikon 30 nm dan 100 nm yang kompatibel dengan elektronik CMOS menunjukkan peningkatan kinerja yang serupa.
Secara keseluruhan, hasil studi ini menunjukkan strategi yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja fotodetektor berbasis silikon dalam aplikasi fotonik yang sedang berkembang. Penyerapan tinggi dapat dicapai bahkan pada lapisan silikon ultra-tipis, dan kapasitansi parasit sirkuit dapat dijaga tetap rendah, yang sangat penting dalam sistem berkecepatan tinggi. Selain itu, metode yang diusulkan kompatibel dengan proses manufaktur CMOS modern dan oleh karena itu berpotensi merevolusi cara optoelektronik diintegrasikan ke dalam sirkuit tradisional. Hal ini, pada gilirannya, dapat membuka jalan bagi lompatan substansial dalam jaringan komputer ultra-cepat dan teknologi pencitraan yang terjangkau.
Waktu posting: 12-Nov-2024