Nova tecnologia defotodetector fino de silício
Estruturas de captura de fótons são usadas para aumentar a absorção de luz em camadas finasfotodetectores de silício
Os sistemas fotônicos estão rapidamente ganhando força em muitas aplicações emergentes, incluindo comunicações ópticas, sensores LiDAR e imagens médicas. No entanto, a ampla adoção da fotônica em futuras soluções de engenharia depende do custo de fabricação.fotodetectores, que por sua vez depende em grande parte do tipo de semicondutor usado para esse propósito.
Tradicionalmente, o silício (Si) tem sido o semicondutor mais onipresente na indústria eletrônica, tanto que a maioria das indústrias amadureceu em torno deste material. Infelizmente, o Si tem um coeficiente de absorção de luz relativamente baixo no espectro do infravermelho próximo (NIR) em comparação com outros semicondutores, como o arsenieto de gálio (GaAs). Por esse motivo, o 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.
Pesquisadores desenvolveram uma maneira de aumentar significativamente a absorção no infravermelho próximo em silício, o que poderia levar a reduções de custo em dispositivos fotônicos de alto desempenho. Uma equipe de pesquisa da UC Davis está desenvolvendo uma nova estratégia para aprimorar significativamente a absorção de luz em filmes finos de silício. Em seu artigo mais recente na Advanced Photonics Nexus, eles demonstram pela primeira vez um experimento com um fotodetector à base de silício com micro e nanoestruturas de superfície que capturam luz, alcançando melhorias de desempenho sem precedentes, comparáveis ao GaAs e outros semicondutores do grupo III-V. O fotodetector consiste em uma placa cilíndrica de silício com espessura de µm, colocada sobre um substrato isolante, com "dedos" metálicos 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 locais 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 Si. 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, maior absorção.
Os pesquisadores também realizaram simulações ópticas e análises teóricas para melhor compreender os efeitos das estruturas de captura de fótons e realizaram diversos experimentos comparando fotodetectores com e sem elas. Eles descobriram que a captura de fótons levou a uma melhoria significativa na eficiência de absorção em banda larga no espectro do infravermelho próximo, permanecendo acima de 68%, com um pico de 86%. Vale ressaltar que, na faixa do infravermelho próximo, o coeficiente de absorção do fotodetector de captura de fótons é várias vezes maior do que o do silício comum, superando o do arsenieto de gálio. Além disso, embora o projeto proposto seja para placas de silício com espessura de 1 μm, 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. 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 em circuitos tradicionais. Isso, por sua vez, pode abrir caminho para avanços substanciais em redes de computadores ultrarrápidas e tecnologias de imagem acessíveis.
Horário da postagem: 12/11/2024