Nueva tecnología de fotodetector de silicio fino.

Nueva tecnología defotodetector de silicio fino
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, incluidas las comunicaciones ópticas, la detección LiDAR y las imágenes médicas. Sin embargo, la adopción generalizada de la fotónica en futuras soluciones de ingeniería depende del coste de fabricación.fotodetectores, 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 ubicuo en la industria electrónica, hasta el punto de que la mayoría de las industrias han madurado en torno a este material. Desafortunadamente, el Si tiene un coeficiente de absorción de luz relativamente débil en el espectro del infrarrojo cercano (NIR) en comparación con otros semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs). Debido a esto, el GaAs y sus aleaciones relacionadas están prosperando 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 provocó un fuerte aumento de sus costes de fabricación.
Los investigadores han ideado una forma de mejorar en gran medida la absorción del infrarrojo cercano en el silicio, lo que podría conducir a reducciones de costos en dispositivos fotónicos de alto rendimiento, y un equipo de investigación de UC Davis es pionero en una nueva estrategia para mejorar en gran medida la absorción de luz en películas delgadas de silicio. En su último artículo en Advanced Photonics Nexus, muestran por primera vez una demostración experimental de un fotodetector basado en silicio con estructuras de micro y nanosuperficie que capturan la luz, logrando mejoras de rendimiento sin precedentes comparables al GaAs y otros semiconductores del grupo III-V. . El fotodetector consiste en una placa de silicio cilíndrica de un micrómetro de espesor 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. Es importante destacar que el silicio grumoso está lleno de agujeros circulares dispuestos en un patrón periódico que actúan como sitios de captura de fotones. La estructura general del dispositivo hace que la luz normalmente incidente se doble casi 90° cuando incide en la superficie, lo que le permite propagarse lateralmente a lo largo del plano Si. Estos modos de propagación lateral aumentan la longitud del viaje de la luz y efectivamente lo ralentizan, lo que genera más interacciones entre la luz y la materia y, por lo 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 conducía 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%. Vale la pena señalar 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 basados ​​en 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 fundamental en sistemas de alta velocidad. Además, el método propuesto es compatible con los procesos de fabricación CMOS modernos y, por tanto, tiene el potencial de revolucionar la forma en que se integra 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.