Bagong teknolohiya ng manipis na silicon photodetector

Bagong teknolohiya ngmanipis na photodetector ng silikon
Ang mga istrukturang pangkuha ng photon ay ginagamit upang mapahusay ang pagsipsip ng liwanag sa manipis namga photodetector ng silikon
Mabilis na nakakakuha ng atensyon ang mga photonic system sa maraming umuusbong na aplikasyon, kabilang ang optical communications, liDAR sensing, at medical imaging. Gayunpaman, ang malawakang pag-aampon ng photonics sa mga solusyon sa inhinyeriya sa hinaharap ay nakasalalay sa gastos ng pagmamanupaktura.mga photodetector, na siya namang nakadepende nang malaki sa uri ng semiconductor na ginagamit para sa layuning iyon.
Ayon sa kaugalian, ang silicon (Si) ang pinakalaganap na semiconductor sa industriya ng elektronika, kaya naman karamihan sa mga industriya ay umunlad na batay sa materyal na ito. Sa kasamaang palad, ang Si ay may medyo mahinang koepisyent ng pagsipsip ng liwanag sa near infrared (NIR) spectrum kumpara sa iba pang semiconductor tulad ng gallium arsenide (GaAs). Dahil dito, ang GaAs at mga kaugnay na haluang metal ay umuunlad sa mga aplikasyon ng photonic ngunit hindi tugma sa tradisyonal na mga proseso ng complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) na ginagamit sa produksyon ng karamihan sa mga elektroniko. Ito ay humantong sa isang matinding pagtaas sa kanilang mga gastos sa pagmamanupaktura.
Nakabuo ang mga mananaliksik ng isang paraan upang lubos na mapahusay ang near-infrared absorption sa silicon, na maaaring humantong sa pagbawas ng gastos sa mga high-performance photonic device, at isang pangkat ng pananaliksik ng UC Davis ang nangunguna sa isang bagong estratehiya upang lubos na mapabuti ang pagsipsip ng liwanag sa mga manipis na pelikula ng silicon. Sa kanilang pinakabagong papel sa Advanced Photonics Nexus, ipinakita nila sa unang pagkakataon ang isang eksperimental na demonstrasyon ng isang photodetector na nakabatay sa silicon na may mga istrukturang micro- at nano-surface na kumukuha ng liwanag, na nakakamit ng mga walang kapantay na pagpapabuti sa pagganap na maihahambing sa GaAs at iba pang mga semiconductor ng III-V group. Ang photodetector ay binubuo ng isang micron-thick cylindrical silicon plate na nakalagay sa isang insulating substrate, na may mga metal na "daliri" na umaabot sa isang paraan ng finger-fork mula sa contact metal sa tuktok ng plate. Mahalaga, ang bukol-bukol na silicon ay puno ng mga pabilog na butas na nakaayos sa isang pana-panahong pattern na kumikilos bilang mga photon capture site. Ang pangkalahatang istraktura ng device ay nagiging sanhi ng normal na pagyuko ng liwanag nang halos 90° kapag tumama ito sa ibabaw, na nagpapahintulot dito na lumaganap nang pahilig sa kahabaan ng Si plane. Ang mga lateral propagation mode na ito ay nagpapataas ng haba ng paglalakbay ng liwanag at epektibong nagpapabagal nito, na humahantong sa mas maraming interaksyon ng liwanag at materya at sa gayon ay nadagdagan ang pagsipsip.
Nagsagawa rin ang mga mananaliksik ng mga optical simulation at teoretikal na pagsusuri upang mas maunawaan ang mga epekto ng mga istruktura ng photon capture, at nagsagawa ng ilang eksperimento na naghahambing sa mga photodetector na mayroon at wala nito. Natuklasan nila na ang photon capture ay humantong sa isang makabuluhang pagpapabuti sa broadband absorption efficiency sa NIR spectrum, na nanatili sa itaas ng 68% na may peak na 86%. Mahalagang tandaan na sa near infrared band, ang absorption coefficient ng photon capture photodetector ay ilang beses na mas mataas kaysa sa ordinaryong silicon, na lumalagpas sa gallium arsenide. Bukod pa rito, bagama't ang iminungkahing disenyo ay para sa 1μm na kapal ng silicon plates, ang mga simulation ng 30 nm at 100 nm silicon films na tugma sa CMOS electronics ay nagpapakita ng katulad na pinahusay na pagganap.
Sa pangkalahatan, ang mga resulta ng pag-aaral na ito ay nagpapakita ng isang promising na estratehiya para sa pagpapabuti ng pagganap ng mga photodetector na nakabatay sa silicon sa mga umuusbong na aplikasyon ng photonics. Maaaring makamit ang mataas na absorption kahit sa mga ultra-thin silicon layer, at ang parasitic capacitance ng circuit ay maaaring mapanatiling mababa, na mahalaga sa mga high-speed system. Bukod pa rito, ang iminungkahing pamamaraan ay tugma sa mga modernong proseso ng pagmamanupaktura ng CMOS at samakatuwid ay may potensyal na baguhin nang lubusan ang paraan ng pagsasama ng optoelectronics sa mga tradisyonal na circuit. Ito naman ay maaaring magbukas ng daan para sa mga malaking pagsulong sa abot-kayang ultrafast computer network at teknolohiya ng imaging.