Nova tecnologia do fotodetector de silício fino

Nova tecnologia deFotodetector de silício fino
As estruturas de captura de fótons são usadas para melhorar a absorção de luz em Thinfotodetectores de silício
Os sistemas fotônicos estão ganhando força rapidamente em muitas aplicações emergentes, incluindo comunicações ópticas, detecção de lidar e imagem médica. No entanto, a ampla adoção de fotônica em futuras soluções de engenharia depende do custo da fabricaçãofotodetectores, que por sua vez depende em grande parte do tipo de semicondutor usado para esse fim.
Tradicionalmente, o silício (SI) tem sido o semicondutor mais onipresente da indústria eletrônica, tanto que a maioria das indústrias amadureceu em torno desse material. Infelizmente, o SI possui um coeficiente de absorção de luz relativamente fraco no espectro do infravermelho próximo (NIR) em comparação com outros semicondutores, como o arseneto de gálio (GAAs). Por esse motivo, GaAs e ligas relacionadas estão prosperando em aplicações fotônicas, mas não são compatíveis com os processos de semicondutores de óxido de metal complementares tradicionais (CMOs) utilizados na produção da maioria dos eletrônicos. Isso levou a um aumento acentuado em seus custos de fabricação.
Os pesquisadores criaram uma maneira de melhorar bastante a absorção de 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 está pioneira em uma nova estratégia para melhorar bastante a absorção de luz em filmes finos de silício. Em seu artigo mais recente no Advanced Photonics Nexus, eles demonstram pela primeira vez uma demonstração experimental de um fotodetector à base de silício com micro-e estruturas de nano superfície, alcançando melhorias de desempenho sem precedentes comparáveis ​​a GAAs e outros semicondutores do grupo III-V. O fotodetector consiste em uma placa de silício cilíndrico de espessura mícrons colocada em um substrato isolante, com os “dedos” de metal se estendendo de maneira a dos dedos 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 atua como locais de captura de fótons. A estrutura geral do dispositivo faz com que a luz normalmente incidente se dobre em quase 90 ° quando atinge a superfície, permitindo que ele se propus lateralmente ao longo do plano SI. Esses modos de propagação lateral aumentam o comprimento da viagem da luz e efetivamente a diminuem, levando a mais interações de matéria de luz e, portanto, aumentou a absorção.
Os pesquisadores também realizaram simulações ópticas e análises teóricas para entender melhor os efeitos das estruturas de captura de fótons e conduziram vários experimentos comparando fotodetectores com e sem eles. Eles descobriram que a captura de fótons levou a uma melhora significativa na eficiência da absorção de banda larga no espectro NIR, permanecendo acima de 68% com um pico de 86%. Vale ressaltar que, na banda infravermelha próxima, o coeficiente de absorção do fotodetector de captura de fótons é várias vezes maior que o do silício comum, excedendo o arseneto de gálio. Além disso, embora o projeto proposto seja para placas de silício de 1μm de espessura, simulações de filmes de silício de 30 nm e 100 nm compatíveis com eletrônicos 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 emergentes de fotônicas. A alta absorção pode ser alcançada mesmo em camadas ultrafinas de silício, e a capacitância parasitária 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 maneira como a optoeletrônica é integrada aos circuitos tradicionais. Isso, por sua vez, poderia abrir caminho para saltos substanciais em redes de computadores ultra -rápidas acessíveis e tecnologia de imagem.