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 numerosas aplicaciones emergentes, como las comunicaciones ópticas, la detección LiDAR y la imagen médica. Sin embargo, la adopción generalizada de la fotónica en futuras soluciones de ingeniería depende del coste de fabricación.fotodetectores, lo cual a su vez depende en gran medida del tipo de semiconductor utilizado para ese fin.
Tradicionalmente, el silicio (Si) ha sido el semiconductor más omnipresente en la industria electrónica, hasta el punto de que la mayoría de las industrias se han desarrollado en torno a este material. Desafortunadamente, el Si tiene un coeficiente de absorción de luz relativamente bajo 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 están teniendo un gran auge en aplicaciones fotónicas, pero no son compatibles con los procesos tradicionales de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) utilizados en la producción de la mayoría de los dispositivos electrónicos. Esto ha provocado un fuerte aumento en sus costes de fabricación.
Investigadores han ideado un método para 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 está desarrollando una estrategia pionera para mejorar notablemente la absorción de luz en películas delgadas de silicio. En su último artículo presentado en Advanced Photonics Nexus, demuestran por primera vez un fotodetector de silicio con micro y nanoestructuras superficiales que capturan la 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 micras 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. Cabe destacar que el silicio irregular está lleno de orificios circulares dispuestos periódicamente que actúan como sitios de captura de fotones. La estructura general del dispositivo provoca que la luz incidente normal se desvíe 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 de forma efectiva, lo que da lugar a más interacciones luz-materia y, por lo tanto, a 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 llevaron a cabo varios experimentos comparando fotodetectores con y sin ellas. Descubrieron que la captura de fotones produjo una mejora significativa en la eficiencia de absorción de banda ancha en el espectro del infrarrojo cercano (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 convencional, superando incluso al del arseniuro de galio. Además, si bien el diseño propuesto se basa en 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 lo tanto, tiene el potencial de revolucionar la forma en que se integran los componentes optoelectrónicos en los circuitos tradicionales. Esto, a su vez, podría allanar el camino para avances sustanciales en redes informáticas ultrarrápidas asequibles y en tecnología de imagen.
Fecha de publicación: 12 de noviembre de 2024