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 la luz en delgadofotodetectores de silicio
Los sistemas fotónicos están ganando tracción rápidamente en muchas aplicaciones emergentes, incluidas las comunicaciones ópticas, la detección de lidar y las imágenes médicas. Sin embargo, la adopción generalizada de la fotónica en futuras soluciones de ingeniería depende del costo de la fabricaciónfotodetectores, que a su vez depende en gran medida del tipo de semiconductor utilizado para ese propósito.
Tradicionalmente, Silicon (SI) ha sido el semiconductor más ubicuo en la industria electrónica, tanto que la mayoría de las industrias han madurado en torno a este material. Desafortunadamente, SI tiene un coeficiente de absorción de luz relativamente débil en el espectro infrarrojo cercano (NIR) en comparación con otros semiconductores como el arsenuro de galio (GAA). Debido a esto, los GaAs y las aleaciones relacionadas prosperan 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 la electrónica. Esto condujo a un fuerte aumento en sus costos 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 está siendo pionero en una nueva estrategia para mejorar en gran medida la absorción de la luz en las películas delgadas de silicio. En su último artículo en Advanced Photonics Nexus, demuestran por primera vez una demostración experimental de un fotodetector basado en silicio con micro y estructuras nano-superficie, logrando mejoras de rendimiento sin precedentes comparables a los GAA y otros semiconductores grupales III-V. El fotodetector consiste en una placa de silicio cilíndrica de espesor de micras de espesor colocada en un sustrato aislante, con "dedos" de metal que se extiende en forma de bobina del dedo desde el metal de contacto en la parte superior de la placa. Es importante destacar que el silicio grumoso se llena con agujeros circulares dispuestos en un patrón periódico que actúa como sitios de captura de fotones. La estructura general del dispositivo hace que la luz normalmente incidente se dobla en casi 90 ° cuando llega a 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 lo ralentizan eficazmente, lo que lleva a más interacciones de la lámpara y, por lo tanto, aumentó la 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 ellos. 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%. Vale la pena señalar que en la banda de infrarrojos cercanos, el coeficiente de absorción del fotodetector de captura de fotones es varias veces mayor que el del silicio ordinario, excediendo el arsenuro de galio. Además, aunque el diseño propuesto es para placas de silicio de 1 μm de grosor, las simulaciones de películas de silicio de 30 nm y 100 nm compatibles con CMOS Electronics 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 ultra delgadas, y la capacitancia parasitaria del circuito puede mantenerse baja, lo cual es crítico en los sistemas de alta velocidad. Además, el método propuesto es compatible con los procesos de fabricación modernos de CMOS y, por lo tanto, tiene el potencial de revolucionar la forma en que la optoelectrónica se integra en los circuitos tradicionales. Esto, a su vez, podría allanar el camino para saltos sustanciales en redes informáticas y tecnología de imágenes de ultrarrápida asequible.