Cercetatorii de la UC Davis au dezvoltat o noua abordare pentru a imbunatati performanta fotodetectorilor pe baza de siliciu, revolutionand potential integrarea optoelectronicei in circuitele conventionale si conducand la retele de calculatoare mai rapide si mai accesibile si la progrese ale tehnologiei imagistice.

Cercetatorii elaboreaza o abordare pentru a imbunatati considerabil absorbtia in infrarosu apropiat din siliciu, ceea ce ar putea duce la dispozitive fotonice de inalta performanta la preturi accesibile.

Sistemele fotonice castiga rapid amploare in numeroase aplicatii emergente, inclusiv comunicatiile optice, detectia lidar si imagistica medicala. Cu toate acestea, acceptarea generala a fotonicii in solutiile de inginerie viitoare depinde in mare masura de costul de fabricatie a fotodetectorilor, care este in mare masura determinat de tipul de semiconductor utilizat.

In mod traditional, siliciul (Si) a fost semiconductorul dominant in industria electronica. Ca urmare, majoritatea industriei a evoluat in jurul acestui material. Cu toate acestea, Si are un coeficient de absorbtie a luminii relativ scazut in spectrul infrarosu apropiat (NIR) in comparatie cu alti semiconductori, cum ar fi arseniura de galiu (GaAs). Din acest motiv, GaAs si aliaje similare sunt mai eficiente in aplicatiile fotonice, dar nu se aliniaza proceselor traditionale complementare metal-oxid-semiconductor (CMOS) utilizate in majoritatea productiei de electronice. Aceasta incompatibilitate duce la o crestere semnificativa a costurilor de productie ale acestora.

Captarea fotonilor de micro gauri de dimensiuni nano in siliciu

Gaurile de micro si nano dimensiuni care capteaza fotonii din siliciu (Si) fac ca lumina incidenta sa se indoaie in mod normal cu aproape 90 °, facand-o sa se propaga lateral de-a lungul planului si conducand, in consecinta, la o absorbtie crescuta a luminii in banda NIR. 

Abordare noua a designului fotodetectorului

Ca raspuns la aceasta problema, o echipa de cercetare de la UC Davis din California dezvolta o strategie noua pentru a imbunatati in mod dramatic absorbtia luminii a filmelor subtiri de Si. Cea mai recenta lucrare a lor, publicata in jurnalul Advanced Photonics Nexus , prezinta prima demonstratie experimentala a fotodetectorilor pe baza de Si, cu structuri de micro si nano suprafata care capteaza lumina. Aceasta abordare a obtinut imbunatatiri de performanta care se potrivesc cu cele ale GaAs si ale altor semiconductori din grupa III-V.

Fotodetectorii propusi constau dintr-o placa de Siliciu cilindrica de un micrometru grosime plasata peste un substrat izolator, cu „degete” metalice care se extind de la metalele de contact deasupra placii intr-un mod interdigitat. Foarte important, Si vrac este umplut cu gauri circulare aranjate intr-un model periodic care actioneaza ca locuri de captare a fotonilor. Structura generala a dispozitivului face ca lumina incidenta in mod normal sa se indoaie cu aproape 90° la lovirea suprafetei, facand-o sa se deplaseze lateral de-a lungul planului Si. Aceste moduri de propagare laterala maresc lungimea de propagare a luminii si o incetinesc efectiv, ducand la mai multa interactiune lumina-materie si o crestere consecutiva a absorbtiei.

Analiza si constatari

In plus, cercetatorii au efectuat simulari optice si analize teoretice pentru a intelege mai bine efectele structurilor de captare a fotonilor si au efectuat mai multe experimente comparand fotodetectoarele cu si fara ele. Ei au descoperit ca captarea fotonilor a dus la o crestere remarcabila a eficientei de absorbtie pe o banda larga din spectrul NIR, ramanand peste 68% si atingand un varf de 86%.

In special, coeficientul de absorbtie observat al fotodetectorului de captare a fotonilor a fost de cateva ori mai mare decat cel al Si simplu si l-a depasit pe cel al GaAs in banda NIR. In plus, desi proiectul propus a fost pentru o placa de Si de 1 μm grosime, simularile de filme subtiri de Si de 30 si 100 nm compatibile cu electronica CMOS au aratat o performanta imbunatatita in mod similar.

Concluzie si implicatii viitoare

In general, concluziile acestui studiu ilustreaza o strategie promitatoare de imbunatatire a performantei fotodetectorilor pe baza de Si pentru aplicatiile viitoare de fotonica. Prin obtinerea unei absorbtii ridicate chiar si in straturile ultra-subtiri de Si, capacitatea parazitara a circuitului poate ramane scazuta, un factor critic in sistemele de mare viteza. In plus, metoda propusa se aliniaza cu procesele moderne de fabricatie CMOS, revolutionand potential modul in care optoelectronica este integrata in circuitele conventionale. Acest lucru ar putea duce in cele din urma la retele de computere ultra-rapide la preturi accesibile si la progrese substantiale in tehnologia imagistica.