Neue Technologie derdünner Silizium-Fotodetektor
Photoneneinfangstrukturen werden verwendet, um die Lichtabsorption in dünnenSilizium-Fotodetektoren
Photonische Systeme gewinnen in vielen neuen Anwendungen, darunter optische Kommunikation, LiDAR-Sensorik und medizinische Bildgebung, schnell an Bedeutung. Die breite Anwendung der Photonik in zukünftigen technischen Lösungen hängt jedoch von den Herstellungskosten ab.Fotodetektoren, was wiederum weitgehend von der Art des dafür verwendeten Halbleiters abhängt.
Traditionell ist Silizium (Si) der am weitesten verbreitete Halbleiter in der Elektronikindustrie, sodass die meisten Branchen auf dieses Material ausgerichtet sind. Leider weist Si im Vergleich zu anderen Halbleitern wie Galliumarsenid (GaAs) einen relativ niedrigen Lichtabsorptionskoeffizienten im nahen Infrarotspektrum (NIR) auf. Daher sind GaAs und verwandte Legierungen in photonischen Anwendungen erfolgreich, jedoch nicht mit den traditionellen CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) kompatibel, die bei der Herstellung der meisten elektronischen Geräte verwendet werden. Dies führte zu einem starken Anstieg ihrer Herstellungskosten.
Forscher haben eine Methode entwickelt, die Nahinfrarotabsorption in Silizium deutlich zu verbessern, was zu Kostensenkungen bei leistungsstarken photonischen Geräten führen könnte. Ein Forschungsteam der UC Davis entwickelt zudem eine neue Strategie zur deutlichen Verbesserung der Lichtabsorption in Silizium-Dünnschichten. In ihrer neuesten Veröffentlichung bei Advanced Photonics Nexus demonstrieren sie erstmals die experimentelle Demonstration eines siliziumbasierten Photodetektors mit lichtaufnehmenden Mikro- und Nano-Oberflächenstrukturen. Dieser erzielt beispiellose Leistungsverbesserungen, vergleichbar mit denen von GaAs und anderen Halbleitern der III-V-Gruppe. Der Photodetektor besteht aus einer mikrometerdicken, zylindrischen Siliziumplatte auf einem isolierenden Substrat. Vom Kontaktmetall an der Oberseite der Platte gehen gabelförmig metallische „Finger“ aus. Das klumpige Silizium ist mit kreisförmigen Löchern gefüllt, die in einem periodischen Muster angeordnet sind und als Photoneneinfangsstellen dienen. Die Gesamtstruktur des Geräts bewirkt, dass das senkrecht einfallende Licht beim Auftreffen auf die Oberfläche um nahezu 90° abgelenkt wird und sich dadurch seitlich entlang der Siliziumebene ausbreiten kann. Diese seitlichen Ausbreitungsmodi erhöhen die Entfernung des Lichts und verlangsamen es effektiv, was zu mehr Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie und somit zu einer erhöhten 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 fanden heraus, dass der Photoneneinfang zu einer deutlichen Verbesserung der Breitbandabsorptionseffizienz im NIR-Spektrum führte und über 68 % mit einem Spitzenwert von 86 % lag. Bemerkenswert ist, dass der Absorptionskoeffizient des Photoneneinfang-Photodetektors im Nahinfrarotbereich um ein Vielfaches höher ist als der von gewöhnlichem Silizium und sogar den von Galliumarsenid übertrifft. Obwohl das vorgeschlagene Design für 1 μm dicke Siliziumplatten ausgelegt ist, zeigen Simulationen von 30 nm und 100 nm dicken Siliziumfilmen, die mit CMOS-Elektronik kompatibel sind, eine ähnlich verbesserte Leistung.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit siliziumbasierter Fotodetektoren in neuen Photonikanwendungen. Selbst in ultradünnen Siliziumschichten lässt sich eine hohe Absorption erreichen, und die parasitäre Kapazität der Schaltung kann niedrig gehalten werden, was für Hochgeschwindigkeitssysteme entscheidend ist. Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Methode mit modernen CMOS-Herstellungsprozessen kompatibel und hat daher das Potenzial, die Integration optoelektronischer Schaltungen in herkömmliche Schaltungen zu revolutionieren. Dies wiederum könnte den Weg für erhebliche Fortschritte bei erschwinglichen ultraschnellen Computernetzwerken und der Bildgebungstechnologie ebnen.
Veröffentlichungszeit: 12. November 2024