Νέα τεχνολογία λεπτού φωτοανιχνευτή πυριτίου

Νέα τεχνολογία τουΛεπτό φωτοανιχνευτή πυριτίου
Οι δομές λήψης φωτονίων χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της απορρόφησης φωτός σε λεπτόφωτοανιχνευτές πυριτίου
Τα φωτονικά συστήματα κερδίζουν γρήγορα έλξη σε πολλές αναδυόμενες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών επικοινωνιών, της ανίχνευσης LIDAR και της ιατρικής απεικόνισης. Ωστόσο, η ευρεία υιοθέτηση της φωτονικής σε μελλοντικές λύσεις μηχανικής εξαρτάται από το κόστος κατασκευήςφωτοανόδυροι, η οποία με τη σειρά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο του ημιαγωγού που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό.
Παραδοσιακά, το πυρίτιο (SI) ήταν το πιο πανταχού παρόντα ημιαγωγό στη βιομηχανία ηλεκτρονικών, τόσο πολύ ώστε οι περισσότερες βιομηχανίες να έχουν ωριμάσει γύρω από αυτό το υλικό. Δυστυχώς, το SI έχει σχετικά αδύναμο συντελεστή απορρόφησης φωτός στο φάσμα εγγύς υπερύθρων (NIR) σε σύγκριση με άλλους ημιαγωγούς όπως το αρσενίδιο του γαλλίου (GAAS). Εξαιτίας αυτού, τα GAAs και τα σχετικά κράματα ακμάζουν σε φωτονικές εφαρμογές, αλλά δεν είναι συμβατά με τις παραδοσιακές συμπληρωματικές διαδικασίες ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου (CMOS) που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των περισσότερων ηλεκτρονικών. Αυτό οδήγησε σε μια απότομη αύξηση του κόστους παραγωγής τους.
Οι ερευνητές έχουν επινοήσει έναν τρόπο να ενισχύσουν σημαντικά την απορρόφηση κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία σε πυρίτιο, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μειώσεις κόστους σε φωτονικές συσκευές υψηλής απόδοσης και μια ερευνητική ομάδα UC Davis είναι πρωτοπορία για μια νέα στρατηγική για να βελτιώσει σημαντικά την απορρόφηση φωτός σε λεπτές ταινίες πυριτίου. Στο τελευταίο τους έγγραφο στο Advanced Photonics Nexus, επιδεικνύουν για πρώτη φορά μια πειραματική επίδειξη φωτοανιχνευτή που βασίζεται σε πυρίτιο με μικρο-και νανο-επιφάνεια δομών, επιτυγχάνοντας πρωτοφανείς βελτιώσεις απόδοσης συγκρίσιμες με τους GaAs και άλλους ημιαγωγούς ομάδας III-V. Ο φωτοανιχνευτής αποτελείται από μια πάχους μικρού πάχους πλάκα κυλινδρικής πυριτίνης τοποθετημένη σε ένα μονωτικό υπόστρωμα, με μεταλλικά "δάχτυλα" που εκτείνονται με μόδα δακτύλων από το μέταλλο επαφής στην κορυφή της πλάκας. Είναι σημαντικό ότι το άμορφο πυρίτιο είναι γεμάτο με κυκλικές τρύπες τοποθετημένες σε ένα περιοδικό μοτίβο που δρουν ως θέσεις σύλληψης φωτονίων. Η συνολική δομή της συσκευής προκαλεί την κάμψη του κανονικά προσπίπττου φωτός κατά περίπου 90 ° όταν χτυπά την επιφάνεια, επιτρέποντάς του να μεταδίδεται πλευρικά κατά μήκος του επιπέδου SI. Αυτοί οι πλευρικοί τρόποι διάδοσης αυξάνουν το μήκος του ταξιδιού του φωτός και επιβραδύνουν αποτελεσματικά, οδηγώντας σε περισσότερες αλληλεπιδράσεις φωτός και έτσι αυξημένη απορρόφηση.
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης οπτικές προσομοιώσεις και θεωρητικές αναλύσεις για να κατανοήσουν καλύτερα τις επιδράσεις των δομών σύλληψης φωτονίων και διεξήγαγαν διάφορα πειράματα που συγκρίνουν τους φωτοανιχνευτές με και χωρίς αυτούς. Διαπίστωσαν ότι η σύλληψη φωτονίων οδήγησε σε σημαντική βελτίωση της αποτελεσματικότητας απορρόφησης ευρυζωνικών συνδέσεων στο φάσμα NIR, παραμένοντας πάνω από 68% με κορυφή 86%. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην κοντινή υπέρυθρη ζώνη, ο συντελεστής απορρόφησης του φωτονίου Photodetector είναι αρκετές φορές υψηλότερος από αυτόν του συνηθισμένου πυριτίου, που υπερβαίνει το αρσενίδιο του γαλλίου. Επιπλέον, αν και ο προτεινόμενος σχεδιασμός είναι για πλάκες πυριτίου πάχους 1 μm, προσομοιώσεις 30 nm και 100 nm ταινιών πυριτίου συμβατές με ηλεκτρονικά CMOS δείχνουν παρόμοια αυξημένη απόδοση.
Συνολικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης καταδεικνύουν μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοανιχνευτών που βασίζονται σε πυρίτιο στις αναδυόμενες εφαρμογές φωτονικής. Η υψηλή απορρόφηση μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και σε εξαιρετικά λεπτά στρώματα πυριτίου και η παρασιτική χωρητικότητα του κυκλώματος μπορεί να διατηρηθεί χαμηλή, η οποία είναι κρίσιμη σε συστήματα υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μέθοδος είναι συμβατή με τις σύγχρονες διαδικασίες παραγωγής CMOS και ως εκ τούτου έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο η οπτικοηλεκτρονική ενσωματώνεται στα παραδοσιακά κυκλώματα. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για σημαντικά άλματα σε προσιτά εξαιρετικά γρήγορα δίκτυα υπολογιστών και τεχνολογία απεικόνισης.