Nova tecnologia defotodetector de silício fino
Estruturas de captura de fótons são usadas para aumentar a absorção de luz em camadas finasfotodetectores de silício
Os sistemas fotônicos estão ganhando força rapidamente em muitas aplicações emergentes, incluindo comunicações ópticas, detecção LiDAR e imagens médicas. No entanto, a adoção generalizada da fotônica em futuras soluções de engenharia depende do custo de fabricaçãofotodetectores, 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, tanto que a maioria das indústrias amadureceu em torno desse material. Infelizmente, o Si tem um coeficiente de absorção de luz relativamente fraco no espectro do infravermelho próximo (NIR) em comparação com outros semicondutores, como o arsenieto de gálio (GaAs). Por causa disso, GaAs e ligas relacionadas estão prosperando em aplicações fotônicas, mas não são compatíveis com os processos tradicionais de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) usados na produção da maioria dos eletrônicos. Isso levou a um aumento acentuado em seus custos de fabricação.
Os pesquisadores desenvolveram uma maneira de aumentar significativamente a absorção do infravermelho próximo no silício, o que poderia levar a reduções de custos em dispositivos fotônicos de alto desempenho, e uma equipe de pesquisa da UC Davis é pioneira em uma nova estratégia para melhorar significativamente a absorção de luz em filmes finos de silício. Em seu último artigo na Advanced Photonics Nexus, eles demonstram pela primeira vez uma demonstração experimental de um fotodetector baseado em silício com estruturas micro e nano-superficiais de captura de luz, alcançando melhorias de desempenho sem precedentes comparáveis a GaAs e outros semicondutores do grupo III-V . O fotodetector consiste em uma placa cilíndrica de silício com mícron de espessura colocada sobre um substrato isolante, com “dedos” de metal estendendo-se 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 buracos circulares dispostos em um padrão periódico que atuam como locais de captura de fótons. A estrutura geral do dispositivo faz com que a luz normalmente incidente se dobre quase 90° quando atinge a superfície, permitindo que ela se propague lateralmente ao longo do plano do Si. Esses modos de propagação lateral aumentam a duração do percurso da luz e efetivamente a desaceleram, levando a mais interações luz-matéria e, portanto, aumentando a absorção.
Os pesquisadores também realizaram simulações ópticas e análises teóricas para entender melhor os efeitos das estruturas de captura de fótons, e realizaram diversos experimentos comparando fotodetectores com e sem eles. Eles descobriram que a captura de fótons levou a uma melhoria significativa na eficiência de absorção da banda larga no espectro NIR, permanecendo acima de 68% com um pico de 86%. É interessante notar que na faixa do infravermelho próximo, o coeficiente de absorção do fotodetector de captura de fótons é várias vezes maior que o do silício comum, superando o arsenieto de gálio. Além disso, embora o projeto proposto seja para placas de silício com 1 μm de espessura, simulações de filmes de silício de 30 nm e 100 nm compatíveis com a eletrônica CMOS mostram desempenho aprimorado semelhante.
No geral, os resultados deste estudo demonstram uma estratégia promissora para melhorar o desempenho de fotodetectores baseados em silício em aplicações fotônicas emergentes. A alta absorção pode ser alcançada mesmo em camadas ultrafinas de silício, e a capacitância parasita do circuito pode ser mantida baixa, o que é crítico em sistemas de alta velocidade. Além disso, o método proposto é compatível com os modernos processos de fabricação de CMOS e, portanto, tem o potencial de revolucionar a forma como a optoeletrônica é integrada aos circuitos tradicionais. Isto, por sua vez, poderia abrir caminho para saltos substanciais em redes de computadores ultrarrápidas e em tecnologia de imagem a preços acessíveis.
Horário da postagem: 12 de novembro de 2024