Công nghệ mới của Photodetector silicon mỏng

Công nghệ mới củaPhotodetector silicon mỏng
Cấu trúc chụp photon được sử dụng để tăng cường sự hấp thụ ánh sáng trong mỏngPhotodetector silicon
Các hệ thống photonic đang nhanh chóng đạt được lực kéo trong nhiều ứng dụng mới nổi, bao gồm truyền thông quang học, cảm biến LIDAR và hình ảnh y tế. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi quang tử trong các giải pháp kỹ thuật trong tương lai phụ thuộc vào chi phí sản xuấtPhotodetector, từ đó phụ thuộc phần lớn vào loại chất bán dẫn được sử dụng cho mục đích đó.
Theo truyền thống, silicon (SI) là chất bán dẫn phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử, đến nỗi hầu hết các ngành công nghiệp đã trưởng thành xung quanh vật liệu này. Thật không may, SI có hệ số hấp thụ ánh sáng tương đối yếu trong phổ hồng ngoại gần (NIR) so với các chất bán dẫn khác như gallium arsenide (GAA). Do đó, GAA và các hợp kim liên quan đang phát triển mạnh trong các ứng dụng quang tử nhưng không tương thích với các quá trình bán dẫn oxit kim loại bổ sung truyền thống (CMOS) được sử dụng trong sản xuất hầu hết các thiết bị điện tử. Điều này dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ trong chi phí sản xuất của họ.
Các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra một cách để tăng cường đáng kể sự hấp thụ gần hồng ngoại trong silicon, điều này có thể dẫn đến việc giảm chi phí trong các thiết bị quang học hiệu suất cao, và một nhóm nghiên cứu UC Davis đang tiên phong trong một chiến lược mới để cải thiện đáng kể sự hấp thụ ánh sáng trong các màng mỏng silicon. Trong bài báo mới nhất của họ tại Nexus Photonics tiên tiến, lần đầu tiên họ chứng minh một trình diễn thử nghiệm của bộ quang điện quang dựa trên silicon với các cấu trúc vi mô-và các cấu trúc bề mặt nano, đạt được các cải tiến hiệu suất chưa từng có có thể so sánh với GAA và các chất bán dẫn nhóm III-V khác. Photodetector bao gồm một tấm silicon hình trụ dày micron được đặt trên một chất nền cách điện, với các ngón tay kim loại, kéo dài theo kiểu ngón tay từ kim loại tiếp xúc ở đầu tấm. Điều quan trọng, silicon sần sùi được lấp đầy với các lỗ tròn được sắp xếp theo mô hình định kỳ hoạt động như các vị trí chụp photon. Cấu trúc tổng thể của thiết bị làm cho ánh sáng sự cố bình thường uốn cong gần 90 ° khi nó chạm vào bề mặt, cho phép nó lan truyền dọc theo mặt phẳng SI. Các chế độ lan truyền bên này làm tăng chiều dài di chuyển của ánh sáng và làm chậm nó một cách hiệu quả, dẫn đến các tương tác chất lượng ánh sáng nhiều hơn và do đó tăng sự hấp thụ.
Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành các mô phỏng quang học và phân tích lý thuyết để hiểu rõ hơn về tác động của các cấu trúc chụp photon và tiến hành một số thí nghiệm so sánh các chất phát quang có và không có chúng. Họ phát hiện ra rằng việc chụp photon đã dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu quả hấp thụ băng thông rộng trong phổ NIR, ở mức trên 68% với mức cao nhất là 86%. Điều đáng chú ý là trong dải hồng ngoại gần, hệ số hấp thụ của bộ tách sóng chụp chụp photon cao hơn nhiều lần so với silicon thông thường, vượt quá arsenide gallium. Ngoài ra, mặc dù thiết kế được đề xuất dành cho các tấm silicon dày 1μm, các mô phỏng của màng silicon 30nm và 100nm tương thích với điện tử CMOS cho thấy hiệu suất tăng cường tương tự.
Nhìn chung, kết quả của nghiên cứu này cho thấy một chiến lược đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu suất của các bộ quang điện tử dựa trên silicon trong các ứng dụng quang tử mới nổi. Sự hấp thụ cao có thể đạt được ngay cả trong các lớp silicon cực mỏng và điện dung ký sinh của mạch có thể được giữ ở mức thấp, điều này rất quan trọng trong các hệ thống tốc độ cao. Ngoài ra, phương pháp được đề xuất tương thích với các quy trình sản xuất CMOS hiện đại và do đó có khả năng cách mạng hóa cách thức quang điện tử được tích hợp vào các mạch truyền thống. Điều này, đến lượt nó, có thể mở đường cho những bước nhảy vọt đáng kể trong các mạng máy tính và công nghệ hình ảnh cực kỳ giá cả phải chăng.