Новая тэхналогіятонкі крамянёвы фотадэтэктар
Структуры захопу фатонаў выкарыстоўваюцца для павышэння паглынання святла ў тонкіхкрамянёвыя фотадэтэктары
Фатонныя сістэмы хутка набіраюць абароты ў многіх новых прылажэннях, уключаючы аптычную сувязь, зандзіраванне лідараў і медыцынскую візуалізацыю. Аднак шырокае прымяненне фатонікі ў будучых інжынерных рашэннях залежыць ад кошту вытворчасціфотадэтэктары, што ў сваю чаргу шмат у чым залежыць ад тыпу паўправадніка, які выкарыстоўваецца для гэтай мэты.
Традыцыйна крэмній (Si) быў самым распаўсюджаным паўправадніком у электроннай прамысловасці, настолькі, што большасць галін развіліся вакол гэтага матэрыялу. На жаль, Si мае адносна слабы каэфіцыент паглынання святла ў блізкім інфрачырвоным (NIR) спектры ў параўнанні з іншымі паўправаднікамі, такімі як арсенід галію (GaAs). З-за гэтага GaAs і звязаныя з ім сплавы паспяхова працуюць у фатонных прылажэннях, але не сумяшчальныя з традыцыйнымі працэсамі камлементарных аксідных паўправаднікоў металаў (CMOS), якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці большасці электронікі. Гэта прывяло да рэзкага росту выдаткаў на іх выраб.
Даследчыкі прыдумалі спосаб значна павялічыць паглынанне ў блізкім інфрачырвоным дыяпазоне ў крэмніі, што можа прывесці да зніжэння кошту высокапрадукцыйных фатонных прылад, а даследчая група Каліфарнійскага універсітэта ў Дэвісе распрацоўвае новую стратэгію значнага паляпшэння паглынання святла ў крэмніевых тонкіх плёнках. У сваёй апошняй працы на Advanced Photonics Nexus яны ўпершыню дэманструюць эксперыментальную дэманстрацыю крэмніевага фотадэтэктара з мікра- і нанапавярхоўнымі структурамі, якія захопліваюць святло, дасягаючы беспрэцэдэнтных паляпшэнняў прадукцыйнасці, параўнальных з GaAs і іншымі паўправаднікамі групы III-V. . Фотадэтэктар складаецца з цыліндрычнай крэмніевай пласціны мікроннай таўшчыні, размешчанай на ізаляцыйнай падкладцы, з металічнымі «пальцамі», якія працягваюцца ў форме пальцаў-відэльцаў ад кантактнага металу ў верхняй частцы пласціны. Важна адзначыць, што грудкаваты крэмній запоўнены круглымі адтулінамі, размешчанымі ў перыядычным парадку, якія дзейнічаюць як месцы захопу фатонаў. Агульная структура прылады прымушае звычайна падальнае святло згінацца амаль на 90°, калі яно трапляе на паверхню, што дазваляе яму распаўсюджвацца ў бакі ўздоўж плоскасці Si. Гэтыя рэжымы бакавога распаўсюджвання павялічваюць даўжыню шляху святла і эфектыўна запавольваюць яго, што прыводзіць да большага ўзаемадзеяння святла і рэчыва і, такім чынам, да павелічэння паглынання.
Даследчыкі таксама правялі аптычнае мадэляванне і тэарэтычны аналіз, каб лепш зразумець эфекты структур захопу фатонаў, і правялі некалькі эксперыментаў, параўноўваючы фотадэтэктары з імі і без іх. Яны выявілі, што захоп фатонаў прывёў да значнага паляпшэння эфектыўнасці шырокапалоснага паглынання ў спектры NIR, застаючыся вышэй за 68% з пікам 86%. Варта адзначыць, што ў блізкім інфрачырвоным дыяпазоне каэфіцыент паглынання фотадэтэктара захопу фатонаў у некалькі разоў вышэй, чым у звычайнага крэмнію, перавышаючы арсенід галію. Акрамя таго, хаця прапанаваная канструкцыя прызначана для крэмніевых пласцін таўшчынёй 1 мкм, мадэляванне крэмніевых плёнак таўшчынёй 30 нм і 100 нм, сумяшчальных з КМОП-электронікай, дэманструе аналагічную павышаную прадукцыйнасць.
У цэлым вынікі гэтага даследавання дэманструюць перспектыўную стратэгію для паляпшэння прадукцыйнасці крэмніевых фотадэтэктараў у новых прылажэннях фатонікі. Высокае паглынанне можа быць дасягнута нават у звыштонкіх крэмніевых пластах, а паразітная ёмістасць схемы можа заставацца нізкай, што вельмі важна ў высакахуткасных сістэмах. Акрамя таго, прапанаваны метад сумяшчальны з сучаснымі вытворчымі працэсамі CMOS і, такім чынам, можа рэвалюцыянізаваць спосаб інтэграцыі оптаэлектронікі ў традыцыйныя схемы. Гэта, у сваю чаргу, можа адкрыць шлях для істотных скачкоў у даступных звышхуткіх кампутарных сетках і тэхналогіях візуалізацыі.
Час публікацыі: 12 лістапада 2024 г