Блог

May 27, 2023

Освещая будущее: улучшенное поглощение света в кремниевых фотодетекторах

Автор SPIEA, 11 августа 2023 г. Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе разработали новый подход к повышению производительности кремниевых фотодетекторов, который потенциально революционизирует интеграцию оптоэлектроники в

Автор SPIEA, 11 августа 2023 г.

Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе разработали новый подход к улучшению производительности кремниевых фотодетекторов, который потенциально совершит революцию в интеграции оптоэлектроники в традиционные схемы и приведет к созданию более быстрых и доступных компьютерных сетей и развитию технологий обработки изображений.

Исследователи разрабатывают подход, позволяющий значительно улучшить поглощение ближнего инфракрасного диапазона в кремнии, что может привести к созданию доступных и высокопроизводительных фотонных устройств.

Фотонные системы быстро набирают обороты во многих новых приложениях, включая оптическую связь, лидарное зондирование и медицинскую визуализацию. Однако общее признание фотоники в будущих инженерных решениях во многом зависит от стоимости производства фотодетекторов, которая во многом определяется типом используемого полупроводника.

Traditionally, silicon (Si) has been the dominant semiconductor in the electronics industry. As a result, the majority of the industry has evolved around this material. However, Si has a relatively low light absorption coefficient in the near-infrared (NIR) spectrum compared to other semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> полупроводники, такие как арсенид галлия (GaAs). Благодаря этому GaAs и подобные сплавы более эффективны в фотонных приложениях, но они не соответствуют традиционным комплементарным процессам металл-оксид-полупроводник (КМОП), используемым в большинстве производств электроники. Такая несовместимость приводит к значительному увеличению себестоимости их производства.

Улавливающие фотоны микро- и нано-отверстия в кремнии (Si) заставляют нормально падающий свет изгибаться почти на 90°, заставляя его распространяться в поперечном направлении вдоль плоскости и, следовательно, приводя к увеличению поглощения света в ближнем ИК-диапазоне. Фото: Карони, Майет и др., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001.

В ответ на эту проблему исследовательская группа из Калифорнийского университета в Дэвисе в Калифорнии разрабатывает новую стратегию, позволяющую значительно улучшить светопоглощение тонких пленок кремния. Их последняя статья, опубликованная в журнале Advanced Photonics Nexus, представляет первую экспериментальную демонстрацию фотодетекторов на основе кремния со светоулавливающими микро- и наноповерхностными структурами. Этот подход позволил добиться улучшения характеристик, сравнимого с показателями GaAs и других полупроводников групп III-V.

The proposed photodetectors consist of a micrometer-thick cylindrical Si slab placed over an insulating substrate, with metallic “fingers” extending from the contact metals atop the slab in an interdigitated fashion. Importantly, the bulk Si is filled with circular holes arranged in a periodic pattern that act as photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> места захвата фотонов. Общая структура устройства заставляет нормально падающий свет изгибаться почти на 90° при попадании на поверхность, заставляя его распространяться вбок вдоль плоскости Si. Эти латерально распространяющиеся моды увеличивают длину распространения света и эффективно замедляют его, что приводит к усилению взаимодействия света и вещества и, как следствие, к увеличению поглощения.