Новая тэхналогіятонкі крэмніевы фотадэтэктар
Структуры захопу фатонаў выкарыстоўваюцца для паляпшэння паглынання святла ў тонкіхкрэмніевыя фотадэтэктары
Фатонныя сістэмы хутка набіраюць абароты ў многіх новых сферах прымянення, у тым ліку ў аптычнай сувязі, лідарных датчыках і медыцынскай візуалізацыі. Аднак шырокае ўкараненне фатонікі ў будучых інжынерных рашэннях залежыць ад кошту вытворчасці.фотадэтэктары, што, у сваю чаргу, у значнай ступені залежыць ад тыпу паўправадніка, які выкарыстоўваецца для гэтай мэты.
Традыцыйна крэмній (Si) быў найбольш распаўсюджаным паўправадніком у электроннай прамысловасці, настолькі, што большасць галін прамысловасці развіліся вакол гэтага матэрыялу. На жаль, крэмній мае адносна слабы каэфіцыент паглынання святла ў блізкім інфрачырвоным (БІЧ) спектры ў параўнанні з іншымі паўправаднікамі, такімі як арсенід галію (GaAs). З-за гэтага GaAs і роднасныя сплавы паспяхова выкарыстоўваюцца ў фатонных прымяненнях, але не сумяшчальныя з традыцыйнымі камплементарнымі метал-аксід-паўправадніковымі (КМАП) працэсамі, якія выкарыстоўваюцца ў вытворчасці большасці электронікі. Гэта прывяло да рэзкага павелічэння іх вытворчых выдаткаў.
Даследчыкі распрацавалі спосаб значнага паляпшэння паглынання блізкага інфрачырвонага дыяпазону ў крэмніі, што можа прывесці да зніжэння выдаткаў на высокапрадукцыйныя фатонні прылады, і даследчая група Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Дэвісе распрацоўвае новую стратэгію значнага паляпшэння паглынання святла ў тонкіх крэмніевых плёнках. У сваёй апошняй працы на Advanced Photonics Nexus яны ўпершыню прадэманстравалі эксперыментальную дэманстрацыю фотадэтэктара на аснове крэмнію з мікра- і нанапаверхневымі структурамі, якія захопліваюць святло, дасягнуўшы беспрэцэдэнтнага паляпшэння прадукцыйнасці, параўнальнага з GaAs і іншымі паўправаднікамі III-V групы. Фотадэтэктар складаецца з цыліндрычнай крэмніевай пласціны мікроннай таўшчыні, размешчанай на ізаляцыйнай падкладцы, з металічнымі «пальцамі», якія адыходзяць у выглядзе пальцаў-вілкі 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 нармальна падаючае святло згінацца амаль на 90° пры яго трапленні на паверхню, што дазваляе яму распаўсюджвацца ў баку ўздоўж плоскасці Si. Гэтыя рэжымы папярочнага распаўсюджвання павялічваюць даўжыню шляху святла і эфектыўна запавольваюць яго, што прыводзіць да большай колькасці ўзаемадзеянняў святла з рэчывам і, такім чынам, да павелічэння паглынання.
Даследчыкі таксама правялі аптычнае мадэляванне і тэарэтычны аналіз, каб лепш зразумець уплыў структур захопу фатонаў, і правялі некалькі эксперыментаў, якія параўноўвалі фотадэтэктары з імі і без іх. Яны выявілі, што захоп фатонаў прывёў да значнага паляпшэння эфектыўнасці шырокапалоснага паглынання ў бліжнім інфрачырвоным спектры, застаючыся вышэй за 68% з пікам 86%. Варта адзначыць, што ў блізкім інфрачырвоным дыяпазоне каэфіцыент паглынання фотадэтэктара захопу фатонаў у некалькі разоў вышэйшы, чым у звычайнага крэмнію, перавышаючы арсенід галію. Акрамя таго, хоць прапанаваная канструкцыя прызначана для крэмніевых пласцін таўшчынёй 1 мкм, мадэляванне крэмніевых плёнак таўшчынёй 30 нм і 100 нм, сумяшчальных з CMOS-электронікай, паказвае падобную палепшаную прадукцыйнасць.
У цэлым, вынікі гэтага даследавання дэманструюць перспектыўную стратэгію паляпшэння прадукцыйнасці фотадэтэктараў на аснове крэмнію ў новых фатонічных прымяненнях. Высокага паглынання можна дасягнуць нават у ультратонкіх пластах крэмнію, а паразітная ёмістасць схемы можа быць нізкай, што мае вырашальнае значэнне ў высакахуткасных сістэмах. Акрамя таго, прапанаваны метад сумяшчальны з сучаснымі вытворчымі працэсамі CMOS і, такім чынам, мае патэнцыял рэвалюцыянізаваць спосаб інтэграцыі оптаэлектронікі ў традыцыйныя схемы. Гэта, у сваю чаргу, можа пракласці шлях да істотных скачкоў у даступных звышхуткіх камп'ютэрных сетках і тэхналогіях візуалізацыі.
Час публікацыі: 12 лістапада 2024 г.