Nueva tecnología de fotodetector de silicio delgado

Nueva tecnología defotodetector de silicio delgado
Las estructuras de captura de fotones se utilizan para mejorar la absorción de luz en capas delgadas.fotodetectores de silicio
Los sistemas fotónicos están ganando terreno rápidamente en muchas aplicaciones emergentes, como las comunicaciones ópticas, la detección lidar y la imagenología médica. Sin embargo, la adopción generalizada de la fotónica en futuras soluciones de ingeniería depende del coste de fabricación.fotodetectores, lo que a su vez depende en gran medida del tipo de semiconductor utilizado para tal fin.
Tradicionalmente, el silicio (Si) ha sido el semiconductor más común en la industria electrónica, tanto es así que la mayoría de las industrias han evolucionado en torno a este material. Desafortunadamente, el Si presenta un coeficiente de absorción de luz relativamente bajo en el espectro infrarrojo cercano (NIR) en comparación con otros semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs). Debido a esto, el GaAs y sus aleaciones afines prosperan en aplicaciones fotónicas, pero no son compatibles con los procesos tradicionales de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS) utilizados en la producción de la mayoría de los productos electrónicos. Esto ha provocado un fuerte aumento de sus costes de fabricación.
Investigadores han ideado una forma de mejorar significativamente la absorción de luz en el infrarrojo cercano en silicio, lo que podría reducir los costos de los dispositivos fotónicos de alto rendimiento. Un equipo de investigación de la UC Davis es pionero en una nueva estrategia para mejorar significativamente la absorción de luz en películas delgadas de silicio. En su último artículo en Advanced Photonics Nexus, presentan por primera vez una demostración experimental de un fotodetector basado en silicio con microestructuras y nanoestructuras de superficie que capturan luz, logrando mejoras de rendimiento sin precedentes, comparables a las del GaAs y otros semiconductores del grupo III-V. El fotodetector consiste en una placa cilíndrica de silicio de espesor micrométrico colocada sobre un sustrato aislante, con "dedos" metálicos que se extienden en forma de horquilla desde el metal de contacto en la parte superior de la placa. Cabe destacar que el silicio grumoso está lleno de orificios circulares dispuestos en un patrón periódico que actúan como puntos de captura de fotones. La estructura general del dispositivo hace que la luz incidente se doble casi 90° al incidir en la superficie, lo que le permite propagarse lateralmente a lo largo del plano de silicio. Estos modos de propagación lateral aumentan la longitud del recorrido de la luz y la ralentizan eficazmente, lo que genera más interacciones luz-materia y, por tanto, una mayor absorción.
Los investigadores también realizaron simulaciones ópticas y análisis teóricos para comprender mejor los efectos de las estructuras de captura de fotones, y realizaron varios experimentos comparando fotodetectores con y sin ellas. Descubrieron que la captura de fotones condujo a una mejora significativa en la eficiencia de absorción de banda ancha en el espectro NIR, manteniéndose por encima del 68% con un pico del 86%. Cabe destacar que en la banda del infrarrojo cercano, el coeficiente de absorción del fotodetector de captura de fotones es varias veces mayor que el del silicio ordinario, superando al arseniuro de galio. Además, aunque el diseño propuesto es para placas de silicio de 1 μm de espesor, las simulaciones de películas de silicio de 30 nm y 100 nm compatibles con la electrónica CMOS muestran un rendimiento mejorado similar.
En general, los resultados de este estudio demuestran una estrategia prometedora para mejorar el rendimiento de los fotodetectores de silicio en aplicaciones fotónicas emergentes. Se puede lograr una alta absorción incluso en capas de silicio ultrafinas, y la capacitancia parásita del circuito se puede mantener baja, lo cual es crucial en sistemas de alta velocidad. Además, el método propuesto es compatible con los procesos modernos de fabricación de CMOS y, por lo tanto, tiene el potencial de revolucionar la integración de la optoelectrónica en los circuitos tradicionales. Esto, a su vez, podría allanar el camino para avances sustanciales en redes informáticas ultrarrápidas y tecnología de imágenes asequibles.