Neue Technologie vondünner Silizium-Fotodetektor
Photoneneinfangstrukturen werden verwendet, um die Lichtabsorption in dünnen Schichten zu verbessernSilizium-Fotodetektoren
Photonische Systeme gewinnen in vielen neuen Anwendungen, darunter optische Kommunikation, LiDAR-Sensorik und medizinische Bildgebung, schnell an Bedeutung. Allerdings hängt die weitverbreitete Einführung der Photonik in zukünftigen technischen Lösungen von den Herstellungskosten abFotodetektoren, was wiederum weitgehend von der Art des für diesen Zweck verwendeten Halbleiters abhängt.
Traditionell war Silizium (Si) der am weitesten verbreitete Halbleiter in der Elektronikindustrie, sodass sich die meisten Industrien rund um dieses Material entwickelt haben. Leider weist Si im Vergleich zu anderen Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs) einen relativ schwachen Lichtabsorptionskoeffizienten im Nahinfrarotspektrum (NIR) auf. Aus diesem Grund erfreuen sich GaAs und verwandte Legierungen großer Beliebtheit bei photonischen Anwendungen, sind jedoch nicht mit den herkömmlichen CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) kompatibel, die bei der Herstellung der meisten elektronischen Geräte zum Einsatz kommen. Dies führte zu einem starken Anstieg ihrer Herstellungskosten.
Forscher haben einen Weg gefunden, die Nahinfrarotabsorption in Silizium erheblich zu verbessern, was zu Kostensenkungen bei leistungsstarken photonischen Geräten führen könnte, und ein Forschungsteam von UC Davis entwickelt eine neue Strategie, um die Lichtabsorption in dünnen Siliziumschichten erheblich zu verbessern. In ihrer neuesten Arbeit bei Advanced Photonics Nexus demonstrieren sie zum ersten Mal eine experimentelle Demonstration eines siliziumbasierten Fotodetektors mit lichteinfangenden Mikro- und Nanooberflächenstrukturen, der beispiellose Leistungsverbesserungen erzielt, die mit GaAs und anderen Halbleitern der III-V-Gruppe vergleichbar sind . Der Fotodetektor besteht aus einer mikrometerdicken zylindrischen Siliziumplatte, die auf einem isolierenden Substrat platziert ist, wobei sich Metallfinger wie eine Fingergabel vom Kontaktmetall an der Oberseite der Platte erstrecken. Wichtig ist, dass das klumpige Silizium mit kreisförmigen Löchern gefüllt ist, die in einem periodischen Muster angeordnet sind und als Photoneneinfangstellen dienen. Die Gesamtstruktur des Geräts bewirkt, dass das normalerweise einfallende Licht beim Auftreffen auf die Oberfläche um nahezu 90° gebogen wird, sodass es sich seitlich entlang der Si-Ebene ausbreiten kann. Diese lateralen Ausbreitungsmodi verlängern die Ausbreitungsdauer des Lichts und verlangsamen es effektiv, was zu mehr Licht-Materie-Wechselwirkungen und damit zu einer erhöhten Absorption führt.
Die Forscher führten auch optische Simulationen und theoretische Analysen durch, um die Auswirkungen von Photoneneinfangstrukturen besser zu verstehen, und führten mehrere Experimente durch, in denen Fotodetektoren mit und ohne diese verglichen wurden. Sie fanden heraus, dass das Einfangen von Photonen zu einer deutlichen Verbesserung der Breitbandabsorptionseffizienz im NIR-Spektrum führte und über 68 % blieb, mit einem Spitzenwert von 86 %. Es ist erwähnenswert, dass im nahen Infrarotbereich der Absorptionskoeffizient des Photoneneinfang-Fotodetektors um ein Vielfaches höher ist als der von gewöhnlichem Silizium und den von Galliumarsenid übertrifft. Obwohl das vorgeschlagene Design für 1 μm dicke Siliziumplatten vorgesehen ist, zeigen Simulationen von 30-nm- und 100-nm-Siliziumfilmen, die mit CMOS-Elektronik kompatibel sind, eine ähnlich verbesserte Leistung.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Leistung von Silizium-basierten Fotodetektoren in neuen Photonikanwendungen. Selbst in ultradünnen Siliziumschichten kann eine hohe Absorption erreicht werden und die parasitäre Kapazität der Schaltung kann niedrig gehalten werden, was bei Hochgeschwindigkeitssystemen von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Methode mit modernen CMOS-Herstellungsprozessen kompatibel und hat daher das Potenzial, die Art und Weise, wie Optoelektronik in traditionelle Schaltkreise integriert wird, zu revolutionieren. Dies könnte wiederum den Weg für erhebliche Fortschritte bei erschwinglichen ultraschnellen Computernetzwerken und Bildgebungstechnologien ebnen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 12. November 2024