Technoleg newydd o ffotodetector silicon tenau

Technoleg newydd offotodetector silicon tenau
Defnyddir strwythurau dal ffoton i wella amsugno golau mewn tenauffotodetectorau silicon
Mae systemau ffotonig yn prysur ennill tyniant mewn llawer o gymwysiadau sy'n dod i'r amlwg, gan gynnwys cyfathrebu optegol, synhwyro LIDAR, a delweddu meddygol. Fodd bynnag, mae mabwysiadu ffotoneg yn eang mewn datrysiadau peirianneg yn y dyfodol yn dibynnu ar gost gweithgynhyrchuffotodetectorau, sydd yn ei dro yn dibynnu i raddau helaeth ar y math o led -ddargludyddion a ddefnyddir at y diben hwnnw.
Yn draddodiadol, silicon (SI) fu'r lled -ddargludydd mwyaf hollbresennol yn y diwydiant electroneg, cymaint fel bod y mwyafrif o ddiwydiannau wedi aeddfedu o amgylch y deunydd hwn. Yn anffodus, mae gan Si gyfernod amsugno golau cymharol wan yn y sbectrwm is -goch bron (NIR) o'i gymharu â lled -ddargludyddion eraill fel gallium arsenide (GAAS). Oherwydd hyn, mae GAAs ac aloion cysylltiedig yn ffynnu mewn cymwysiadau ffotonig ond nid ydynt yn gydnaws â'r prosesau lled-ddargludyddion metel-ocsid cyflenwol traddodiadol (CMOS) a ddefnyddir wrth gynhyrchu'r mwyafrif o electroneg. Arweiniodd hyn at gynnydd sydyn yn eu costau gweithgynhyrchu.
Mae ymchwilwyr wedi dyfeisio ffordd i wella amsugno bron-is-goch mewn silicon yn fawr, a allai arwain at ostyngiadau mewn costau mewn dyfeisiau ffotonig perfformiad uchel, ac mae tîm ymchwil UC Davis yn arloesi ar strategaeth newydd i wella amsugno ysgafn yn fawr mewn ffilmiau tenau silicon. Yn eu papur diweddaraf yn Advanced Photonics Nexus, maent yn dangos am y tro cyntaf arddangosiad arbrofol o ffotodetector wedi'i seilio ar silicon gyda strwythurau micro-ddal sy'n dal golau-a strwythurau nano-wyneb, gan gyflawni gwelliannau perfformiad digynsail yn debyg i GAAs a lled-ddargludyddion grŵp III-V eraill. Mae'r ffotodetector yn cynnwys plât silicon silindrog micron-drwchus wedi'i osod ar swbstrad inswleiddio, gyda “bysedd” metel yn ymestyn mewn ffasiwn bys-fforc o'r metel cyswllt ar ben y plât. Yn bwysig, mae'r silicon talpiog wedi'i lenwi â thyllau crwn wedi'i drefnu mewn patrwm cyfnodol sy'n gweithredu fel safleoedd dal ffoton. Mae strwythur cyffredinol y ddyfais yn achosi i'r golau digwyddiad fel arfer blygu bron i 90 ° pan fydd yn taro'r wyneb, gan ganiatáu iddo luosogi'n ochrol ar hyd yr awyren Si. Mae'r dulliau lluosogi ochrol hyn yn cynyddu hyd teithio golau ac yn ei arafu i bob pwrpas, gan arwain at fwy o ryngweithio mater ysgafn ac felly cynyddu amsugno.
Cynhaliodd yr ymchwilwyr efelychiadau optegol a dadansoddiadau damcaniaethol hefyd i ddeall effeithiau strwythurau dal ffoton yn well, a chynhaliodd sawl arbrawf gan gymharu ffotodetectorau â nhw a hebddyn nhw. Fe wnaethant ddarganfod bod cipio ffoton wedi arwain at welliant sylweddol mewn effeithlonrwydd amsugno band eang yn y sbectrwm NIR, gan aros uwchlaw 68% gyda brig o 86%. Mae'n werth nodi bod cyfernod amsugno'r ffotodetector dal ffoton yn y band bron yn is -goch sawl gwaith yn uwch na silicon cyffredin, sy'n rhagori ar arsenide gallium. Yn ogystal, er bod y dyluniad arfaethedig ar gyfer platiau silicon 1μm o drwch, mae efelychiadau o ffilmiau silicon 30 nm a 100 nm sy'n gydnaws ag electroneg CMOS yn dangos perfformiad gwell tebyg.
At ei gilydd, mae canlyniadau'r astudiaeth hon yn dangos strategaeth addawol ar gyfer gwella perfformiad ffotodetectorau sy'n seiliedig ar silicon mewn cymwysiadau ffotoneg sy'n dod i'r amlwg. Gellir amsugno uchel hyd yn oed mewn haenau silicon ultra-denau, a gellir cadw cynhwysedd parasitig y gylched yn isel, sy'n hollbwysig mewn systemau cyflym. Yn ogystal, mae'r dull arfaethedig yn gydnaws â phrosesau gweithgynhyrchu Modern CMOS ac felly mae ganddo'r potensial i chwyldroi'r ffordd y mae optoelectroneg yn cael eu hintegreiddio i gylchedau traddodiadol. Gallai hyn, yn ei dro, baratoi'r ffordd ar gyfer llamu sylweddol mewn rhwydweithiau cyfrifiadurol ultrafast fforddiadwy a thechnoleg delweddu.