Õhukese räni fotodetektori uus tehnoloogia

Uus tehnoloogiaõhuke räni fotodetektor
Valguse neeldumise suurendamiseks kasutatakse footonite püüdmise struktuureräni fotodetektorid
Fotoonilised süsteemid omandavad kiiresti veojõu paljudes uutes rakendustes, sealhulgas optilises sides, liDAR-i anduris ja meditsiinilises pildistamises. Fotoonika laialdane kasutuselevõtt tulevastes insenerilahendustes sõltub aga tootmiskuludestfotodetektorid, mis omakorda sõltub suuresti selleks otstarbeks kasutatava pooljuhi tüübist.
Traditsiooniliselt on räni (Si) olnud elektroonikatööstuses kõige levinum pooljuht, nii et enamik tööstusharusid on selle materjali ümber küpsenud. Kahjuks on Si lähiinfrapuna (NIR) spektris suhteliselt nõrk valguse neeldumistegur võrreldes teiste pooljuhtidega, näiteks galliumarseniidiga (GaAs). Seetõttu on GaA-d ja nendega seotud sulamid fotoonilistes rakendustes edukad, kuid ei ühildu enamiku elektroonikaseadmete tootmisel kasutatavate traditsiooniliste komplementaarsete metalloksiidi pooljuhtide (CMOS) protsessidega. See tõi kaasa nende tootmiskulude järsu kasvu.
Teadlased on välja töötanud viisi, kuidas märkimisväärselt suurendada räni infrapuna neeldumist, mis võib viia suure jõudlusega fotooniliste seadmete kulude vähendamiseni, ja UC Davise uurimisrühm on teerajaja uue strateegia väljatöötamisel, et oluliselt parandada räni õhukeste kilede valguse neeldumist. Oma viimases artiklis Advanced Photonics Nexus demonstreerivad nad esimest korda ränipõhise fotodetektori eksperimentaalset demonstratsiooni, millel on valgust püüdvad mikro- ja nanopinnastruktuurid, saavutades enneolematud jõudluse täiustused, mis on võrreldavad GaA-de ja teiste III-V rühma pooljuhtidega. . Fotodetektor koosneb mikroni paksusest silindrilisest räniplaadist, mis asetatakse isoleerivale substraadile ja mille metallist "sõrmed" ulatuvad plaadi ülaosas olevast kontaktmetallist sõrmehargiga. Oluline on see, et tükiline räni on täidetud ringikujuliste aukudega, mis on paigutatud perioodilise mustriga, mis toimivad footonite püüdmiskohtadena. Seadme üldine struktuur põhjustab tavaliselt langeva valguse paindumist pinda tabades peaaegu 90°, võimaldades sellel levida külgsuunas piki Si-tasapinda. Need külgsuunas levimise režiimid suurendavad valguse käigu pikkust ja aeglustavad seda tõhusalt, tuues kaasa rohkem valguse ja aine vastastikmõjusid ja seega suurenenud neeldumist.
Teadlased viisid läbi ka optilisi simulatsioone ja teoreetilisi analüüse, et paremini mõista footonite püüdmise struktuuride mõju, ning viisid läbi mitmeid katseid, milles võrreldi fotodetektoreid koos nendega ja ilma. Nad leidsid, et footonite püüdmine parandas oluliselt lairiba neeldumise efektiivsust NIR-spektris, jäädes üle 68% ja tipptasemeks 86%. Väärib märkimist, et lähi-infrapunaribas on footonite püüdmise fotodetektori neeldumistegur mitu korda kõrgem kui tavalisel ränil, ületades galliumarseniidi. Lisaks, kuigi kavandatav disain on mõeldud 1 μm paksuste räniplaatide jaoks, näitavad CMOS-elektroonikaga ühilduvate 30 nm ja 100 nm ränikilede simulatsioonid sarnast paremat jõudlust.
Üldiselt näitavad selle uuringu tulemused paljulubavat strateegiat ränipõhiste fotodetektorite jõudluse parandamiseks uutes fotoonikarakendustes. Kõrget neeldumist on võimalik saavutada isegi üliõhukeste ränikihtide korral ning ahela parasiitmahtuvust saab hoida madalana, mis on kiirete süsteemide puhul kriitiline. Lisaks ühildub pakutud meetod tänapäevaste CMOS-i tootmisprotsessidega ja võib seetõttu muuta optoelektroonika traditsioonilistesse vooluringidesse integreerimise viisi. See võib omakorda sillutada teed märkimisväärsetele hüpetele taskukohaste ülikiirete arvutivõrkude ja pilditehnoloogia vallas.