Nou tecnologia del fotodetector de silici prim

Nova tecnologia defotodetector de silici prim
Les estructures de captura de fotons s’utilitzen per millorar l’absorció de la llum en primFotodetectors de silici
Els sistemes fotònics estan guanyant ràpidament tracció en moltes aplicacions emergents, incloses les comunicacions òptiques, la detecció de LiDAR i la imatge mèdica. Tanmateix, l’adopció generalitzada de la fotònica en les futures solucions d’enginyeria depèn del cost de la fabricaciófotodetectors, que al seu torn depèn en gran mesura del tipus de semiconductor utilitzat per a aquest propòsit.
Tradicionalment, el silici (SI) ha estat el semiconductor més omnipresent de la indústria de l'electrònica, tant que la majoria de les indústries han madurat al voltant d'aquest material. Malauradament, SI té un coeficient d’absorció de llum relativament feble en l’espectre d’infrarojos propers (NIR) en comparació amb altres semiconductors com l’arsenide de Gallium (GAAS). A causa d'això, els GAAs i els aliatges relacionats prosperen en aplicacions fotòniques, però no són compatibles amb els tradicionals processos complementaris d'òxid de metall-òxid (CMOS) utilitzats en la producció de la majoria d'electrònica. Això va provocar un fort augment dels seus costos de fabricació.
Els investigadors han ideat una manera de millorar molt l’absorció d’infrarojos propers en silici, cosa que podria provocar reduccions de costos en dispositius fotònics d’alt rendiment, i un equip d’investigació de la UC Davis és pionera en una nova estratègia per millorar molt l’absorció de llum en pel·lícules primes de silici. En el seu darrer treball a Advanced Photonics Nexus, demostren per primera vegada una demostració experimental d’un fotodetector basat en silici amb micro-capturació lleugera i estructures de superfície nano-superfície, aconseguint millores de rendiment sense precedents comparables a les GAA i altres semiconductors del grup III-V. El fotodetector consisteix en una placa de silici cilíndrica de gruix de micres col·locada sobre un substrat aïllant, amb els "dits" metàl·lics que s'estenen de forma de dits del metall de contacte a la part superior de la placa. És important destacar que el silici tan pesat s’omple de forats circulars disposats en un patró periòdic que actuen com a llocs de captura de fotons. L’estructura general del dispositiu fa que la llum normalment incident es dobli gairebé 90 ° quan arribi a la superfície, permetent -li propagar -se lateralment al llarg del pla SI. Aquests modes de propagació lateral augmenten la longitud del viatge de la llum i la redueix efectivament, donant lloc a interaccions més lleugeres i, per tant, augmenten l’absorció.
Els investigadors també van realitzar simulacions òptiques i anàlisis teòriques per comprendre millor els efectes de les estructures de captura de fotons i van realitzar diversos experiments comparant fotodetectors amb i sense ells. Van trobar que la captura de fotons va comportar una millora significativa de l’eficiència d’absorció de banda ampla en l’espectre NIR, mantenint -se per sobre del 68% amb un pic del 86%. Val la pena assenyalar que a la banda d’infrarojos propers, el coeficient d’absorció del fotodetector de captura de fotons és diverses vegades superior al del silici ordinari, superant l’arsenide de Gallium. A més, tot i que el disseny proposat és per a plaques de silici de 1 μm de gruix, les simulacions de pel·lícules de silici de 30 nm i 100 nm compatibles amb l'electrònica CMOS mostren un rendiment millorat similar.
En general, els resultats d’aquest estudi demostren una estratègia prometedora per millorar el rendiment dels fotodetectors basats en silici en aplicacions fotòniques emergents. Es pot aconseguir una alta absorció fins i tot en capes de silici ultra-primes i la capacitança paràsita del circuit es pot mantenir baixa, cosa que és crítica en sistemes d’alta velocitat. A més, el mètode proposat és compatible amb els processos moderns de fabricació de CMOS i, per tant, té el potencial de revolucionar la forma en què s’integren l’optoelectrònica en els circuits tradicionals. Al seu torn, això podria obrir el camí cap a un salt substancial en xarxes informàtiques i informàtiques ultra ràpides assequibles i tecnologia d’imatge.