Teknologi baru darifotodetektor silikon tipis
Struktur penangkap foton digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya pada lapisan tipis.fotodetektor silikon
Sistem fotonik dengan cepat mendapatkan daya tarik dalam banyak aplikasi baru, termasuk komunikasi optik, penginderaan LiDAR, dan pencitraan medis. Namun, adopsi fotonik secara luas dalam solusi teknik di masa depan bergantung pada biaya manufaktur.fotodetektor, yang pada gilirannya sangat bergantung pada jenis semikonduktor yang digunakan untuk tujuan tersebut.
Secara tradisional, silikon (Si) telah menjadi semikonduktor yang paling umum digunakan dalam industri elektronik, sedemikian rupa sehingga sebagian besar industri telah berkembang di sekitar material ini. Sayangnya, Si memiliki koefisien penyerapan cahaya yang relatif lemah dalam spektrum inframerah dekat (NIR) dibandingkan dengan semikonduktor lain seperti galium arsenida (GaAs). 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 produksinya.
Para peneliti telah merancang cara untuk meningkatkan penyerapan inframerah dekat secara signifikan pada silikon, yang dapat menyebabkan pengurangan biaya pada perangkat fotonik berkinerja tinggi, dan tim peneliti UC Davis sedang merintis strategi baru untuk meningkatkan penyerapan cahaya secara signifikan pada film tipis silikon. Dalam makalah terbaru mereka di Advanced Photonics Nexus, mereka mendemonstrasikan untuk pertama kalinya demonstrasi eksperimental detektor foto berbasis silikon dengan struktur permukaan mikro dan nano penangkap cahaya, mencapai peningkatan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya yang sebanding dengan GaAs dan semikonduktor kelompok III-V lainnya. Detektor foto tersebut terdiri dari pelat silikon silindris setebal mikron yang ditempatkan pada substrat isolasi, dengan "jari-jari" logam yang memanjang seperti garpu dari logam kontak di bagian atas pelat. Yang penting, silikon yang bergelombang tersebut diisi dengan lubang melingkar yang disusun dalam pola periodik yang bertindak sebagai tempat penangkapan foton. Struktur keseluruhan perangkat menyebabkan cahaya yang datang tegak lurus membengkok hampir 90° ketika mengenai permukaan, memungkinkan cahaya tersebut merambat secara lateral di sepanjang bidang Si. Modus perambatan lateral ini meningkatkan panjang lintasan 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, dan melakukan beberapa eksperimen yang membandingkan fotodetektor dengan dan tanpa struktur tersebut. Mereka menemukan bahwa penangkapan foton menyebabkan peningkatan signifikan dalam efisiensi penyerapan pita lebar di spektrum NIR, tetap di atas 68% dengan puncak 86%. Perlu dicatat bahwa di pita inframerah dekat, koefisien penyerapan fotodetektor penangkap foton beberapa kali lebih tinggi daripada 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 yang 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 pada lapisan silikon ultra-tipis, dan kapasitansi parasitik 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 besar dalam jaringan komputer ultra cepat dan teknologi pencitraan yang terjangkau.
Waktu posting: 12 November 2024