Teknologi barufotodetektor silikon tipis
Struktur penangkapan foton digunakan untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam lapisan tipisfotodetektor silikon
Sistem fotonik dengan cepat mendapatkan perhatian dalam banyak aplikasi baru, termasuk komunikasi optik, penginderaan lidar, dan pencitraan medis. Namun, adopsi fotonik secara luas dalam solusi rekayasa masa depan bergantung pada biaya produksi.fotodetektor, yang pada gilirannya sangat bergantung pada jenis semikonduktor yang digunakan untuk tujuan tersebut.
Secara tradisional, silikon (Si) telah menjadi semikonduktor yang paling umum dalam industri elektronik, sehingga sebagian besar industri telah berkembang pesat 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 menemukan cara untuk meningkatkan penyerapan inframerah dekat dalam silikon, yang dapat menghasilkan pengurangan biaya dalam perangkat fotonik berkinerja tinggi, dan tim peneliti UC Davis memelopori strategi baru untuk meningkatkan penyerapan cahaya dalam lapisan tipis silikon. Dalam makalah terbaru mereka di Advanced Photonics Nexus, mereka mendemonstrasikan untuk pertama kalinya demonstrasi eksperimental fotodetektor berbasis silikon dengan struktur permukaan mikro dan nano penangkap cahaya, yang mencapai peningkatan kinerja yang belum pernah terjadi sebelumnya yang sebanding dengan GaAs dan semikonduktor golongan III-V lainnya. Fotodetektor terdiri dari pelat silikon silinder setebal mikron yang diletakkan pada substrat isolasi, dengan "jari-jari" logam yang memanjang seperti jari-garpu dari logam kontak di bagian atas pelat. Yang penting, silikon yang menggumpal diisi dengan lubang melingkar yang disusun dalam pola periodik yang berfungsi sebagai lokasi penangkapan foton. Struktur keseluruhan perangkat menyebabkan cahaya yang biasanya datang membelok hampir 90° saat mengenai permukaan, yang memungkinkannya menyebar secara lateral di sepanjang bidang Si. Mode perambatan lateral ini meningkatkan panjang perjalanan cahaya dan secara efektif memperlambatnya, menyebabkan lebih banyak interaksi cahaya-materi 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 struktur tersebut. Mereka menemukan bahwa penangkapan foton menghasilkan peningkatan signifikan dalam efisiensi penyerapan pita lebar 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 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 studi 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 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 manufaktur CMOS modern dan karenanya berpotensi untuk merevolusi cara optoelektronik diintegrasikan ke dalam sirkuit tradisional. Hal ini, pada gilirannya, dapat membuka jalan bagi lompatan substansial dalam jaringan komputer ultracepat yang terjangkau dan teknologi pencitraan.
Waktu posting: 12-Nov-2024