Uusi ohuen piivalodetektorin teknologia

Uusi teknologiaohut piivalodetektori
Fotonien sieppausrakenteita käytetään parantamaan valon absorptiota ohuissapiivalodetektorit
Fotoniset järjestelmät ovat nopeasti kasvattamassa suosiotaan monissa uusissa sovelluksissa, kuten optisessa tietoliikenteessä, liDAR-antureissa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa. Fotoniikan laajamittainen käyttöönotto tulevaisuuden teknisissä ratkaisuissa riippuu kuitenkin valmistuskustannuksista.valoilmaisimet, mikä puolestaan ​​riippuu pitkälti kyseiseen tarkoitukseen käytetyn puolijohteen tyypistä.
Pii (Si) on perinteisesti ollut elektroniikkateollisuudessa yleisin puolijohde, siinä määrin, että useimmat teollisuudenalat ovat kehittyneet tämän materiaalin ympärille. Valitettavasti piillä on suhteellisen heikko valonabsorptiokerroin lähi-infrapunaspektrissä (NIR) verrattuna muihin puolijohteisiin, kuten galliumarsenidiin (GaAs). Tästä johtuen GaAs ja vastaavat seokset menestyvät fotoniikan sovelluksissa, mutta eivät ole yhteensopivia perinteisten komplementaaristen metallioksidipuolijohdeprosessien (CMOS) kanssa, joita käytetään useimpien elektroniikan tuotannossa. Tämä johti niiden valmistuskustannusten jyrkkään nousuun.
Tutkijat ovat kehittäneet keinon parantaa merkittävästi lähi-infrapunasäteilyn absorptiota piissä, mikä voisi johtaa kustannussäästöihin tehokkaissa fotoniikan laitteissa. UC Davisin tutkimusryhmä on edelläkävijä uuden strategian kehittämisessä, jolla parannetaan merkittävästi valon absorptiota piiohutkalvoissa. Advanced Photonics Nexus -lehdessä julkaistussa uusimmassa artikkelissaan he esittelevät ensimmäistä kertaa kokeellisen esittelyn piipohjaisesta fotodetektorista, jossa on valoa sieppaavat mikro- ja nanopintarakenteet, mikä saavuttaa ennennäkemättömiä suorituskyvyn parannuksia, jotka ovat verrattavissa GaAs:ään ja muihin III-V-ryhmän puolijohteisiin. Fotodetektori koostuu mikronin paksuisesta sylinterimäisestä piilevystä, joka on asetettu eristävälle alustalle. Levyn yläosassa olevasta kontaktimetallista ulottuu sormihaarukan muotoon metallisia "sormia". Tärkeää on, että möykkyinen pii on täynnä pyöreitä reikiä, jotka on järjestetty jaksolliseen kuvioon ja toimivat fotonien sieppauskohtina. Laitteen kokonaisrakenne saa normaalisti tulevan valon taittumaan lähes 90° osuessaan pintaan, jolloin se voi levitä sivusuunnassa piitä pitkin. Nämä sivuttaissuuntaiset etenemismuodot pidentävät valon matkaa ja hidastavat sitä tehokkaasti, mikä johtaa useampiin valon ja aineen vuorovaikutuksiin ja siten lisääntyneeseen absorptioon.
Tutkijat suorittivat myös optisia simulaatioita ja teoreettisia analyysejä ymmärtääkseen paremmin fotonien sieppausrakenteiden vaikutuksia ja suorittivat useita kokeita, joissa verrattiin fotonien sieppausrakenteiden kanssa ja ilman niitä olevia fotodetektoreita. He havaitsivat, että fotonien sieppaus johti merkittävään parannukseen laajakaistaisessa absorptiotehokkuudessa NIR-spektrissä, pysyen yli 68 prosentissa ja saavuttaen huippunsa 86 prosentissa. On syytä huomata, että lähi-infrapuna-alueella fotonien sieppausfotodetektorin absorptiokerroin on useita kertoja suurempi kuin tavallisen piin, ylittäen galliumarsenidin. Lisäksi, vaikka ehdotettu suunnittelu on tarkoitettu 1 μm paksuille piilevyille, CMOS-elektroniikan kanssa yhteensopivien 30 nm:n ja 100 nm:n piikalvojen simulaatiot osoittavat vastaavaa parantunutta suorituskykyä.
Kaiken kaikkiaan tämän tutkimuksen tulokset osoittavat lupaavan strategian piipohjaisten fotodetektorien suorituskyvyn parantamiseksi 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 sillä on siksi potentiaalia mullistaa tapa, jolla optoelektroniikka integroidaan perinteisiin piireihin. Tämä puolestaan ​​voisi tasoittaa tietä huomattaville harppauksille edullisissa erittäin nopeissa tietokoneverkoissa ja kuvantamisteknologiassa.