Uusi tekniikkaohut silikonivalodetektori
Fotonikaappausrakenteita käytetään parantamaan valon absorptiota ohuessapiin valoilmaisimet
Fotonijärjestelmät ovat saamassa nopeasti vetovoimaa monissa nousevissa sovelluksissa, kuten optisessa viestinnässä, liDAR-tunnistuksessa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa. Fotoniikan laaja ottaminen käyttöön tulevissa teknisissä ratkaisuissa riippuu kuitenkin valmistuskustannuksistavaloilmaisimet, mikä puolestaan riippuu pitkälti tähän tarkoitukseen käytetyn puolijohteen tyypistä.
Perinteisesti pii (Si) on ollut elektroniikkateollisuuden yleisin puolijohde, niin paljon, että useimmat teollisuudenalat ovat kypsyneet tämän materiaalin ympärille. Valitettavasti Si:llä on suhteellisen heikko valon absorptiokerroin lähi-infrapunaspektrissä (NIR) verrattuna muihin puolijohteisiin, kuten galliumarsenidiin (GaAs). Tämän vuoksi GaA:t ja niihin liittyvät seokset menestyvät fotonisovelluksissa, mutta ne eivät ole yhteensopivia useimpien elektroniikan valmistuksessa käytettyjen perinteisten komplementaaristen metallioksidipuolijohdeprosessien (CMOS) kanssa. Tämä johti niiden valmistuskustannusten voimakkaaseen nousuun.
Tutkijat ovat kehittäneet tavan parantaa merkittävästi piin lähi-infrapuna-absorptiota, mikä voi johtaa kustannusten alenemiseen korkean suorituskyvyn fotonilaitteissa, ja UC Davis -tutkimusryhmä on edelläkävijä uudella strategialla parantaakseen huomattavasti valon absorptiota piiohutkalvoissa. Uusimmassa Advanced Photonics Nexus -julkaisussa he esittelevät ensimmäistä kertaa kokeellisen esittelyn piipohjaisesta valotunnistimesta, jossa on valoa sieppaavia mikro- ja nanopintarakenteita, mikä saavuttaa ennennäkemättömän suorituskyvyn parannuksia, jotka ovat verrattavissa GaAs- ja muihin III-V-ryhmän puolijohteisiin. . Valodetektori koostuu mikronin paksuisesta sylinterimäisestä piilevystä, joka on sijoitettu eristävälle alustalle, jossa metalliset "sormet" ulottuvat sormihaarukkamaisesti kosketusmetallista levyn yläosassa. Tärkeää on, että möykkyinen pii on täynnä pyöreitä reikiä, jotka on järjestetty jaksoittaiseen kuvioon ja jotka toimivat fotonien sieppauspaikkoina. Laitteen kokonaisrakenne saa normaalisti tulevan valon taipumaan lähes 90° osuessaan pintaan, jolloin se pääsee etenemään sivusuunnassa Si-tasoa pitkin. Nämä lateraaliset etenemismuodot pidentävät valon matkan pituutta ja hidastavat sitä tehokkaasti, mikä lisää valon ja aineen vuorovaikutusta ja siten lisää absorptiota.
Tutkijat suorittivat myös optisia simulaatioita ja teoreettisia analyyseja ymmärtääkseen paremmin fotonien sieppausrakenteiden vaikutuksia ja suorittivat useita kokeita, joissa verrattiin valoilmaisimia niiden kanssa ja ilman niitä. He havaitsivat, että fotonien sieppaus paransi merkittävästi laajakaistan absorptiotehokkuutta NIR-spektrissä pysyen yli 68 prosentissa ja huippunsa 86 prosenttia. On syytä huomata, että lähi-infrapunakaistalla fotonin sieppausvalodetektorin absorptiokerroin on useita kertoja korkeampi kuin tavallisen piin, mikä ylittää galliumarsenidin. Lisäksi, vaikka ehdotettu malli on tarkoitettu 1 μm:n paksuisille piilevyille, CMOS-elektroniikan kanssa yhteensopivien 30 nm:n ja 100 nm:n piikalvojen simulaatiot osoittavat samanlaista parannettua suorituskykyä.
Kaiken kaikkiaan tämän tutkimuksen tulokset osoittavat lupaavan strategian parantaa piipohjaisten valoilmaisimien suorituskykyä uusissa fotoniikan sovelluksissa. Korkea absorptio voidaan saavuttaa jopa erittäin ohuissa piikerroksissa, ja piirin loiskapasitanssi voidaan pitää alhaisena, mikä on kriittistä nopeissa järjestelmissä. Lisäksi ehdotettu menetelmä on yhteensopiva nykyaikaisten CMOS-valmistusprosessien kanssa, ja siksi sillä on potentiaalia mullistaa tapa, jolla optoelektroniikka integroidaan perinteisiin piireihin. Tämä puolestaan voisi tasoittaa tietä huomattaville harppauksille edullisissa ultranopeissa tietokoneverkoissa ja kuvantamistekniikassa.
Postitusaika: 12.11.2024