Nova tecnologia defotodetector de silício fino
Estruturas de captura de fótons são usadas para aumentar a absorção de luz em filmes finos.fotodetectores de silício
Os sistemas fotônicos estão ganhando espaço rapidamente em diversas aplicações emergentes, incluindo comunicações ópticas, sensores LiDAR e imagens médicas. No entanto, a adoção generalizada da fotônica em futuras soluções de engenharia depende do custo de fabricação.fotodetectores, o que, por sua vez, depende em grande parte do tipo de semicondutor utilizado para esse fim.
Tradicionalmente, o silício (Si) tem sido o semicondutor mais onipresente na indústria eletrônica, a ponto de a maioria das indústrias ter se desenvolvido em torno desse material. Infelizmente, o Si possui um coeficiente de absorção de luz relativamente baixo no espectro do infravermelho próximo (NIR) em comparação com outros semicondutores, como o arseneto de gálio (GaAs). Por conta disso, o GaAs e ligas relacionadas estão prosperando em aplicações fotônicas, mas não são compatíveis com os processos tradicionais de semicondutor de óxido metálico complementar (CMOS) usados na produção da maioria dos eletrônicos. Isso levou a um aumento acentuado em seus custos de fabricação.
Pesquisadores desenvolveram um método para aumentar significativamente a absorção no infravermelho próximo em silício, o que pode levar à redução de custos em dispositivos fotônicos de alto desempenho. Uma equipe de pesquisa da UC Davis está na vanguarda de uma nova estratégia para melhorar consideravelmente a absorção de luz em filmes finos de silício. Em seu artigo mais recente, apresentado na Advanced Photonics Nexus, eles demonstram, pela primeira vez, um fotodetector baseado em silício com estruturas de micro e nano-superfície para captura de luz, alcançando melhorias de desempenho sem precedentes, comparáveis às do GaAs e outros semicondutores do grupo III-V. O fotodetector consiste em uma placa cilíndrica de silício com espessura de um micrômetro, colocada sobre um substrato isolante, com "dedos" de metal que se estendem em forma de garfo a partir do metal de contato na parte superior da placa. É importante ressaltar que o silício irregular é preenchido com orifícios circulares dispostos em um padrão periódico, que atuam como sítios de captura de fótons. A estrutura geral do dispositivo faz com que a luz incidente normalmente se curve em quase 90° ao atingir a superfície, permitindo que ela se propague lateralmente ao longo do plano de silício. Esses modos de propagação lateral aumentam a distância percorrida pela luz e, efetivamente, a desaceleram, levando a mais interações entre luz e matéria e, portanto, a uma maior absorção.
Os pesquisadores também realizaram simulações ópticas e análises teóricas para melhor compreender os efeitos das estruturas de captura de fótons e conduziram diversos experimentos comparando fotodetectores com e sem essas estruturas. Eles descobriram que a captura de fótons levou a uma melhoria significativa na eficiência de absorção em banda larga no espectro do infravermelho próximo (NIR), mantendo-se acima de 68% com um pico de 86%. Vale ressaltar que, na faixa do infravermelho próximo, o coeficiente de absorção do fotodetector com captura de fótons é várias vezes maior do que o do silício comum, superando o do arseneto de gálio. Além disso, embora o projeto proposto seja para placas de silício de 1 μm de espessura, simulações com filmes de silício de 30 nm e 100 nm, compatíveis com a eletrônica CMOS, mostram desempenho aprimorado semelhante.
Em geral, os resultados deste estudo demonstram uma estratégia promissora para melhorar o desempenho de fotodetectores baseados em silício em aplicações fotônicas emergentes. É possível alcançar alta absorção mesmo em camadas de silício ultrafinas, e a capacitância parasita do circuito pode ser mantida baixa, o que é crucial em sistemas de alta velocidade. Além disso, o método proposto é compatível com os modernos processos de fabricação CMOS e, portanto, tem o potencial de revolucionar a forma como a optoeletrônica é integrada aos circuitos tradicionais. Isso, por sua vez, pode abrir caminho para avanços substanciais em redes de computadores ultrarrápidas e tecnologias de imagem acessíveis.
Data da publicação: 12/11/2024