Νέα τεχνολογία φωτοανιχνευτή λεπτού πυριτίου

Νέα τεχνολογία τουφωτοανιχνευτής λεπτού πυριτίου
Οι δομές σύλληψης φωτονίων χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της απορρόφησης φωτός σε λεπτόφωτοανιχνευτές πυριτίου
Τα φωτονικά συστήματα αποκτούν ραγδαία 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 κατασκευήςφωτοανιχνευτές, το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τον τύπο του ημιαγωγού που χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό.
Παραδοσιακά, το πυρίτιο (Si) ήταν ο πιο πανταχού παρών ημιαγωγός στη βιομηχανία ηλεκτρονικών, τόσο πολύ που οι περισσότερες βιομηχανίες έχουν ωριμάσει γύρω από αυτό το υλικό. Δυστυχώς, το Si έχει σχετικά ασθενή συντελεστή απορρόφησης φωτός στο φάσμα του κοντινού υπέρυθρου (NIR) σε σύγκριση με άλλους ημιαγωγούς όπως το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs). Εξαιτίας αυτού, τα GaAs και τα σχετικά κράματα ευδοκιμούν σε φωτονικές εφαρμογές, αλλά δεν είναι συμβατά με τις παραδοσιακές διαδικασίες συμπληρωματικών ημιαγωγών οξειδίου μετάλλου (CMOS) που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των περισσότερων ηλεκτρονικών. Αυτό οδήγησε σε απότομη αύξηση του κόστους κατασκευής τους.
Οι ερευνητές έχουν επινοήσει έναν τρόπο να ενισχύσουν σημαντικά την απορρόφηση κοντά στο υπέρυθρο στο πυρίτιο, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε μείωση του κόστους σε φωτονικές συσκευές υψηλής απόδοσης και μια ερευνητική ομάδα του UC Davis πρωτοπορεί σε μια νέα στρατηγική για να βελτιώσει σημαντικά την απορρόφηση φωτός σε λεπτές μεμβράνες πυριτίου. Στην τελευταία τους εργασία στο Advanced Photonics Nexus, επιδεικνύουν για πρώτη φορά μια πειραματική επίδειξη ενός φωτοανιχνευτή με βάση το πυρίτιο με δομές μικροεπιφανειών που συλλαμβάνουν φως, επιτυγχάνοντας πρωτοφανείς βελτιώσεις απόδοσης συγκρίσιμες με GaAs και άλλους ημιαγωγούς της ομάδας III-V. . Ο φωτοανιχνευτής αποτελείται από μια κυλινδρική πλάκα πυριτίου πάχους μικρών, τοποθετημένη σε μονωτικό υπόστρωμα, με μεταλλικά «δάχτυλα» που εκτείνονται με τον τρόπο του δακτύλου από το μέταλλο επαφής στο πάνω μέρος της πλάκας. Είναι σημαντικό ότι το ογκώδες πυρίτιο είναι γεμάτο με κυκλικές οπές διατεταγμένες σε περιοδικό σχέδιο που λειτουργούν ως θέσεις σύλληψης φωτονίων. Η συνολική δομή της συσκευής αναγκάζει το συνήθως προσπίπτον φως να κάμπτεται κατά σχεδόν 90° όταν προσκρούει στην επιφάνεια, επιτρέποντάς του να διαδίδεται πλευρικά κατά μήκος του επιπέδου Si. Αυτοί οι τρόποι πλευρικής διάδοσης αυξάνουν το μήκος της διαδρομής του φωτός και το επιβραδύνουν αποτελεσματικά, οδηγώντας σε περισσότερες αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης και συνεπώς αυξημένη απορρόφηση.
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης οπτικές προσομοιώσεις και θεωρητικές αναλύσεις για να κατανοήσουν καλύτερα τα αποτελέσματα των δομών σύλληψης φωτονίων και διεξήγαγαν αρκετά πειράματα συγκρίνοντας φωτοανιχνευτές με και χωρίς αυτούς. Διαπίστωσαν ότι η σύλληψη φωτονίων οδήγησε σε σημαντική βελτίωση στην αποτελεσματικότητα απορρόφησης ευρυζωνικής σύνδεσης στο φάσμα NIR, παραμένοντας πάνω από το 68% με μια κορυφή 86%. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη, ο συντελεστής απορρόφησης του φωτοανιχνευτή σύλληψης φωτονίων είναι αρκετές φορές υψηλότερος από αυτόν του συνηθισμένου πυριτίου, υπερβαίνοντας το αρσενίδιο του γαλλίου. Επιπλέον, αν και ο προτεινόμενος σχεδιασμός είναι για πλάκες πυριτίου πάχους 1μm, οι προσομοιώσεις μεμβρανών πυριτίου 30 nm και 100 nm συμβατών με ηλεκτρονικά CMOS δείχνουν παρόμοια βελτιωμένη απόδοση.
Συνολικά, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης καταδεικνύουν μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοανιχνευτών με βάση το πυρίτιο σε 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, κάτι που είναι κρίσιμο σε συστήματα υψηλής ταχύτητας. Επιπλέον, η προτεινόμενη μέθοδος είναι συμβατή με τις σύγχρονες διαδικασίες κατασκευής CMOS και ως εκ τούτου έχει τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο τα οπτοηλεκτρονικά ενσωματώνονται στα παραδοσιακά κυκλώματα. Αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για σημαντικά άλματα σε οικονομικά προσιτά δίκτυα υπολογιστών και τεχνολογία απεικόνισης εξαιρετικά γρήγορα.