İnce silikon fotodetektörünün yeni teknolojisi

Yeni teknolojiince silikon fotodedektör
Foton yakalama yapıları ince ışık emilimini artırmak için kullanılırsilikon fotodedektörler
Fotonik sistemler, optik iletişim, LIDAR algılama ve tıbbi görüntüleme dahil olmak üzere birçok yeni uygulamada hızla yaygınlaşıyor. Ancak, fotoniklerin gelecekteki mühendislik çözümlerinde yaygın olarak benimsenmesi, üretim maliyetine bağlıdır.fotodedektörlerBu da büyük ölçüde bu amaç için kullanılan yarı iletken türüne bağlıdır.
Geleneksel olarak, silisyum (Si), elektronik endüstrisinde en yaygın kullanılan yarı iletken olmuştur; öyle ki çoğu endüstri bu malzeme etrafında gelişmiştir. Ne yazık ki, Si, galyum arsenit (GaAs) gibi diğer yarı iletkenlere kıyasla yakın kızılötesi (NIR) spektrumunda nispeten zayıf bir ışık emilim katsayısına sahiptir. Bu nedenle, GaAs ve ilgili alaşımlar fotonik uygulamalarda başarılı olsa da çoğu elektronik cihazın üretiminde kullanılan geleneksel tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) prosesleriyle uyumlu değildir. Bu durum, üretim maliyetlerinde keskin bir artışa yol açmıştır.
Araştırmacılar, silikondaki yakın kızılötesi emilimi büyük ölçüde artırmanın bir yolunu geliştirdiler. Bu, yüksek performanslı fotonik cihazlarda maliyet düşüşlerine yol açabilir ve UC Davis araştırma ekibi, silikon ince filmlerde ışık emilimini büyük ölçüde artırmak için yeni bir stratejiye öncülük ediyor. Advanced Photonics Nexus'taki son makalelerinde, ışık yakalayan mikro ve nano yüzey yapılarına sahip silikon tabanlı bir fotodetektörün deneysel bir gösterimini ilk kez sunarak, GaAs ve diğer III-V grubu yarı iletkenlerle karşılaştırılabilir eşi benzeri görülmemiş performans iyileştirmeleri elde ettiler. Fotodetektör, yalıtkan bir alt tabaka üzerine yerleştirilmiş mikron kalınlığında silindirik bir silikon plakadan ve plakanın tepesindeki temas metalinden parmak çatalı şeklinde uzanan metal "parmaklardan" oluşur. Daha da önemlisi, topaklı silikon, foton yakalama noktaları olarak işlev gören periyodik bir düzende düzenlenmiş dairesel deliklerle doludur. Cihazın genel yapısı, normalde gelen ışığın yüzeye çarptığında yaklaşık 90° bükülmesine ve böylece Si düzlemi boyunca yanal olarak yayılmasına neden olur. Bu yanal yayılma modları, ışığın hareket mesafesini artırarak onu etkili bir şekilde yavaşlatır, bu da daha fazla ışık-madde etkileşimine ve dolayısıyla daha fazla emilime yol açar.
Araştırmacılar ayrıca, foton yakalama yapılarının etkilerini daha iyi anlamak için optik simülasyonlar ve teorik analizler yürüttüler ve fotodedektörleri bu yapılarla ve bu yapılar olmadan karşılaştıran birkaç deney gerçekleştirdiler. Foton yakalamanın, yakın kızılötesi spektrumunda geniş bant emilim verimliliğinde %86'lık bir tepe noktasıyla %68'in üzerinde kalarak önemli bir iyileşme sağladığını buldular. Yakın kızılötesi bantta, foton yakalama fotodetektörünün emilim katsayısının, galyum arsenitten daha yüksek olan sıradan silikonunkinden birkaç kat daha yüksek olduğunu belirtmekte fayda var. Ayrıca, önerilen tasarım 1 μm kalınlığındaki silikon plakalar için olsa da, CMOS elektroniğiyle uyumlu 30 nm ve 100 nm silikon filmlerin simülasyonları benzer gelişmiş performans göstermektedir.
Genel olarak, bu çalışmanın sonuçları, gelişmekte olan fotonik uygulamalarında silikon tabanlı fotodedektörlerin performansını artırmak için umut verici bir strateji ortaya koymaktadır. Ultra ince silikon katmanlarında bile yüksek emilim elde edilebilir ve devrenin parazitik kapasitansı düşük tutulabilir; 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 ağları ve görüntüleme teknolojisinde önemli sıçramaların önünü açabilir.