Neue Technologie vondünner Silizium-Fotodetektor
Photoneneinfangstrukturen werden verwendet, um die Lichtabsorption in dünnen Schichten zu verbessern.Silizium-Fotodetektoren
Photonische Systeme gewinnen in vielen neuen Anwendungsbereichen, darunter optische Kommunikation, LiDAR-Sensorik und medizinische Bildgebung, rasant an Bedeutung. Die breite Anwendung der Photonik in zukünftigen technischen Lösungen hängt jedoch von den Herstellungskosten ab.Fotodetektorenwas wiederum maßgeblich von der Art des zu diesem Zweck verwendeten Halbleiters abhängt.
Traditionell ist Silizium (Si) der am weitesten verbreitete Halbleiter in der Elektronikindustrie, sodass die meisten Branchen auf diesem Material basieren. Leider weist Si im Vergleich zu anderen Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs) einen relativ geringen Lichtabsorptionskoeffizienten im nahen Infrarotbereich (NIR) auf. Aus diesem Grund finden GaAs und verwandte Legierungen zwar Anwendung in der Photonik, sind aber nicht mit den herkömmlichen CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) kompatibel, die in der Elektronikfertigung eingesetzt werden. Dies führte zu einem starken Anstieg ihrer Herstellungskosten.
Forscher haben eine Methode entwickelt, um die Absorption von Nahinfrarotlicht in Silizium deutlich zu erhöhen. Dies könnte zu Kostensenkungen bei Hochleistungs-Photonikbauelementen führen. Ein Forschungsteam der UC Davis leistet Pionierarbeit mit einer neuen Strategie zur signifikanten Verbesserung der Lichtabsorption in Silizium-Dünnschichten. In ihrer jüngsten Veröffentlichung auf der Advanced Photonics Nexus demonstrieren sie erstmals experimentell einen Silizium-basierten Photodetektor mit lichtabsorbierenden Mikro- und Nanostrukturen auf der Oberfläche. Dieser erzielt beispiellose Leistungsverbesserungen, vergleichbar mit GaAs und anderen III-V-Halbleitern. Der Photodetektor besteht aus einer mikrometerdicken, zylindrischen Siliziumplatte auf einem isolierenden Substrat. Von der Kontaktmetalloberfläche an der Oberseite der Platte ragen gabelartige Metallspitzen ab. Das unregelmäßige Silizium ist mit periodisch angeordneten kreisförmigen Löchern gefüllt, die als Photoneneinfangstellen dienen. Die Gesamtstruktur des Bauelements bewirkt, dass das senkrecht einfallende Licht beim Auftreffen auf die Oberfläche um nahezu 90° gebrochen wird und sich so seitlich entlang der Siliziumebene ausbreiten kann. Diese seitlichen Ausbreitungsmodi verlängern den Weg des Lichts und verlangsamen es effektiv, was zu mehr Licht-Materie-Wechselwirkungen und damit zu erhöhter Absorption führt.
Die Forscher führten zudem optische Simulationen und theoretische Analysen durch, um die Auswirkungen von Photoneneinfangstrukturen besser zu verstehen, und verglichen in mehreren Experimenten Photodetektoren mit und ohne diese Strukturen. Sie stellten fest, dass der Photoneneinfang zu einer signifikanten Verbesserung der Breitbandabsorptionseffizienz im NIR-Spektrum führte, die über 68 % lag und einen Spitzenwert von 86 % erreichte. Bemerkenswert ist, dass der Absorptionskoeffizient des Photoneneinfang-Photodetektors im nahen Infrarotbereich um ein Vielfaches höher ist als der von herkömmlichem Silizium und sogar den von Galliumarsenid übertrifft. Obwohl der vorgestellte Entwurf für 1 µm dicke Siliziumplatten ausgelegt ist, zeigen Simulationen von 30 nm und 100 nm dicken Siliziumschichten, die mit CMOS-Elektronik kompatibel sind, eine vergleichbare Leistungssteigerung.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigen insgesamt eine vielversprechende Strategie zur Leistungssteigerung von Silizium-basierten Photodetektoren in neuen photonischen Anwendungen. Selbst in ultradünnen Siliziumschichten lässt sich eine hohe Absorption erzielen, und die parasitäre Kapazität der Schaltung kann gering gehalten werden, was in Hochgeschwindigkeitssystemen entscheidend ist. Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Verfahren mit modernen CMOS-Fertigungsprozessen kompatibel und hat daher das Potenzial, die Integration von Optoelektronik in traditionelle Schaltungen grundlegend zu verändern. Dies wiederum könnte den Weg für bedeutende Fortschritte bei kostengünstigen, ultraschnellen Computernetzwerken und Bildgebungstechnologien ebnen.
Veröffentlichungsdatum: 12. November 2024