Yeni teknolojiince silikon fotodedektör
Foton yakalama yapıları, ince filmlerde ışık emilimini artırmak için kullanılır.silikon fotodedektörler
Fotonik sistemler, optik iletişim, LiDAR algılama ve tıbbi görüntüleme de dahil olmak üzere birçok yeni uygulamada hızla ilgi görüyor. Bununla birlikte, fotoniğin gelecekteki mühendislik çözümlerinde yaygın olarak benimsenmesi, üretim maliyetine bağlıdır.fotodedektörlerBu da büyük ölçüde söz konusu amaç için kullanılan yarı iletkenin türüne bağlıdır.
Geleneksel olarak, silikon (Si), elektronik endüstrisinde en yaygın yarı iletken olmuştur; öyle ki çoğu endüstri bu malzeme etrafında şekillenmiştir. Ne yazık ki, Si, galyum arsenit (GaAs) gibi diğer yarı iletkenlere kıyasla yakın kızılötesi (NIR) spektrumunda nispeten zayıf bir ışık soğurma katsayısına sahiptir. Bu nedenle, GaAs ve ilgili alaşımlar fotonik uygulamalarda başarılı olmaktadır, ancak çoğu elektronik üretiminde kullanılan geleneksel tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) süreçleriyle uyumlu değildir. Bu da üretim maliyetlerinde keskin bir artışa yol açmıştır.
Araştırmacılar, silikonda yakın kızılötesi emilimini büyük ölçüde artırmanın bir yolunu geliştirdiler; bu da yüksek performanslı fotonik cihazlarda maliyet düşüşlerine yol açabilir ve UC Davis'ten bir araştırma ekibi, silikon ince filmlerde ışık emilimini büyük ölçüde iyileştirmek için yeni bir stratejiye öncülük ediyor. Advanced Photonics Nexus'taki son makalelerinde, ışık yakalayan mikro ve nano yüzey yapılarına sahip silikon tabanlı bir fotodedektörün deneysel bir gösterimini ilk kez sergileyerek, GaAs ve diğer III-V grubu yarı iletkenlerle karşılaştırılabilir, benzeri görülmemiş performans iyileştirmeleri elde ettiler. Fotodedektör, yalıtkan bir alt tabaka üzerine yerleştirilmiş mikron kalınlığında silindirik bir silikon plakadan oluşur ve plakanın üst kısmındaki temas metalinden çatal şeklinde uzanan metal "parmaklar" bulunur. Önemli olarak, pürüzlü silikon, foton yakalama noktaları görevi gören periyodik bir düzende düzenlenmiş dairesel deliklerle doludur. Cihazın genel yapısı, normal olarak gelen ışığın yüzeye çarptığında yaklaşık 90° bükülmesine neden olarak, Si düzlemi boyunca yanal olarak yayılmasına olanak tanır. Bu yanal yayılma modları, ışığın yolculuk mesafesini uzatır ve etkili bir şekilde yavaşlatır; bu da daha fazla ışık-madde etkileşimine ve dolayısıyla daha fazla soğurmaya yol açar.
Araştırmacılar ayrıca foton yakalama yapılarının etkilerini daha iyi anlamak için optik simülasyonlar ve teorik analizler gerçekleştirdiler ve bu yapılara sahip ve olmayan fotodedektörleri karşılaştıran çeşitli deneyler yaptılar. Foton yakalamanın, NIR spektrumunda geniş bant soğurma verimliliğinde önemli bir iyileşmeye yol açtığını ve %68'in üzerinde kalarak %86'lık bir zirveye ulaştığını buldular. Yakın kızılötesi bantta, foton yakalama fotodedektörünün soğurma katsayısının sıradan silikonunkinden birkaç kat daha yüksek olduğu ve galyum arsenitini aştığı dikkate değerdir. Ek olarak, önerilen tasarım 1 μm kalınlığında silikon plakalar için olmasına rağmen, CMOS elektroniğiyle uyumlu 30 nm ve 100 nm silikon filmlerin simülasyonları benzer şekilde geliştirilmiş performans göstermektedir.
Genel olarak, bu çalışmanın sonuçları, gelişmekte olan fotonik uygulamalarında silikon tabanlı fotodedektörlerin performansını iyileştirmek için umut vadeden bir strateji ortaya koymaktadır. Ultra ince silikon katmanlarda bile yüksek soğurma elde edilebilmekte ve devrenin parazitik kapasitesi düşük tutulabilmektedir; bu da yüksek hızlı sistemlerde kritik öneme sahiptir. Ayrıca, önerilen yöntem modern CMOS üretim süreçleriyle uyumludur ve bu nedenle optoelektroniğin geleneksel devrelere entegre edilme biçiminde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bu da, uygun fiyatlı ultra hızlı bilgisayar ağlarında ve görüntüleme teknolojisinde önemli atılımların önünü açabilir.
Yayın tarihi: 12 Kasım 2024