Teknologi baru darifotodetektor silikon tipis
Struktur penangkapan foton digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya secara tipisfotodetektor silikon
Sistem fotonik dengan cepat mendapatkan daya tarik dalam banyak aplikasi baru, termasuk komunikasi optik, penginderaan lidAR, dan pencitraan medis. Namun, penerapan fotonik secara luas dalam solusi teknik masa depan bergantung pada biaya produksifotodetektor, yang pada gilirannya sangat bergantung pada jenis semikonduktor yang digunakan untuk tujuan tersebut.
Secara tradisional, silikon (Si) telah menjadi semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam industri elektronik, sehingga sebagian besar industri telah berkembang dengan menggunakan bahan ini. Sayangnya, Si memiliki koefisien penyerapan cahaya yang relatif lemah pada spektrum inframerah dekat (NIR) dibandingkan semikonduktor lain seperti gallium arsenide (GaAs). Oleh karena itu, GaAs dan paduan terkait berkembang pesat dalam aplikasi fotonik tetapi tidak kompatibel dengan proses semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) tradisional yang digunakan dalam produksi sebagian besar elektronik. Hal ini menyebabkan peningkatan tajam dalam biaya produksi mereka.
Para peneliti telah menemukan cara untuk meningkatkan penyerapan inframerah-dekat pada silikon, yang dapat mengurangi biaya perangkat fotonik berkinerja tinggi, dan tim peneliti UC Davis memelopori strategi baru untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam film tipis silikon. Dalam makalah terbaru mereka di Advanced Photonics Nexus, untuk pertama kalinya mereka mendemonstrasikan demonstrasi eksperimental fotodetektor berbasis silikon dengan struktur permukaan mikro dan nano yang menangkap cahaya, mencapai peningkatan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya yang sebanding dengan GaAs dan semikonduktor grup III-V lainnya. . Fotodetektor terdiri dari pelat silikon silinder setebal mikron yang ditempatkan pada substrat isolasi, dengan “jari” logam yang memanjang seperti garpu dari logam kontak di bagian atas pelat. Yang penting, silikon kental tersebut diisi dengan lubang melingkar yang disusun dalam pola periodik yang berfungsi sebagai tempat penangkapan foton. Struktur keseluruhan perangkat menyebabkan cahaya yang biasanya datang membelok hampir 90° saat menyentuh permukaan, sehingga memungkinkannya merambat secara lateral di sepanjang bidang Si. Mode perambatan lateral ini meningkatkan panjang perjalanan cahaya dan secara efektif memperlambatnya, menyebabkan lebih banyak interaksi materi cahaya sehingga meningkatkan penyerapan.
Para peneliti juga melakukan simulasi optik dan analisis teoretis untuk lebih memahami efek struktur penangkapan foton, dan melakukan beberapa eksperimen yang membandingkan fotodetektor dengan dan tanpa struktur tersebut. Mereka menemukan bahwa penangkapan foton menghasilkan peningkatan yang 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 dibandingkan silikon biasa, melebihi galium arsenida. 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 peningkatan kinerja serupa.
Secara keseluruhan, hasil penelitian ini menunjukkan strategi yang menjanjikan untuk meningkatkan kinerja fotodetektor berbasis silikon dalam aplikasi fotonik yang sedang berkembang. Penyerapan tinggi dapat dicapai bahkan dalam lapisan silikon ultra-tipis, dan kapasitansi parasit rangkaian dapat dijaga tetap rendah, yang sangat penting dalam sistem berkecepatan tinggi. Selain itu, metode yang diusulkan ini 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 besar dalam jaringan komputer ultracepat dan teknologi pencitraan yang terjangkau.
Waktu posting: 12 November 2024