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May 27, 2023

Die Zukunft beleuchten: Verbesserte Lichtabsorption in Silizium-Fotodetektoren

Von SPIE, 11. August 2023 Forscher der UC Davis haben einen neuen Ansatz entwickelt, um die Leistung von Fotodetektoren auf Siliziumbasis zu verbessern und möglicherweise die optoelektronische Integration in zu revolutionieren

Von SPIE11. August 2023

Forscher der UC Davis haben einen neuen Ansatz zur Verbesserung der Leistung von Fotodetektoren auf Siliziumbasis entwickelt, der möglicherweise die optoelektronische Integration in herkömmliche Schaltkreise revolutioniert und zu schnelleren, erschwinglicheren Computernetzwerken und Fortschritten in der Bildgebungstechnologie führt.

Forscher entwickeln einen Ansatz, um die Nahinfrarotabsorption in Silizium erheblich zu verbessern, was zu erschwinglichen, leistungsstarken photonischen Geräten führen könnte.

Photonische Systeme gewinnen in zahlreichen neuen Anwendungen, darunter optische Kommunikation, Lidar-Sensorik und medizinische Bildgebung, schnell an Bedeutung. Allerdings hängt die allgemeine Akzeptanz der Photonik in zukünftigen technischen Lösungen stark von den Kosten für die Herstellung von Fotodetektoren ab, die maßgeblich von der Art des verwendeten Halbleiters bestimmt werden.

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"}]"> Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs). Aus diesem Grund sind GaAs und ähnliche Legierungen in photonischen Anwendungen effektiver, sie passen jedoch nicht zu den herkömmlichen CMOS-Prozessen (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), die in den meisten Elektronikproduktionen zum Einsatz kommen. Diese Inkompatibilität führt zu einem erheblichen Anstieg ihrer Herstellungskosten.

Mikro- und nanogroße Löcher in Silizium (Si), die Photonen einfangen, bewirken, dass normal einfallendes Licht um fast 90° gebogen wird, wodurch es sich seitlich entlang der Ebene ausbreitet und folglich zu einer erhöhten Lichtabsorption im NIR-Band führt. Bildnachweis: Qarony, Mayet et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

Als Reaktion auf dieses Problem entwickelt ein Forschungsteam der UC Davis in Kalifornien eine neuartige Strategie, um die Lichtabsorption dünner Si-Filme drastisch zu verbessern. Ihr neuester Artikel, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Photonics Nexus, präsentiert die erste experimentelle Demonstration von Si-basierten Fotodetektoren mit lichteinfangenden Mikro- und Nanooberflächenstrukturen. Mit diesem Ansatz konnten Leistungsverbesserungen erzielt werden, die denen von GaAs und anderen Halbleitern der Gruppe III–V ebenbürtig sind.

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"}]"> Photoneneinfangstellen. Die Gesamtstruktur des Geräts bewirkt, dass normal einfallendes Licht beim Auftreffen auf die Oberfläche um fast 90° gebogen wird, sodass es sich seitlich entlang der Si-Ebene ausbreitet. Diese sich seitlich ausbreitenden Moden verlängern die Ausbreitungslänge des Lichts und verlangsamen es effektiv, was zu einer stärkeren Licht-Materie-Wechselwirkung und einem daraus resultierenden Anstieg der Absorption führt.

Die Forscher führten außerdem optische Simulationen und theoretische Analysen durch, um die Auswirkungen der photoneneinfangenden Strukturen besser zu verstehen, und führten mehrere Experimente durch, in denen Fotodetektoren mit und ohne diese verglichen wurden. Sie fanden heraus, dass das Einfangen von Photonen zu einer bemerkenswerten Steigerung der Absorptionseffizienz über ein breites Band im NIR-Spektrum führte, wobei sie über 68 Prozent blieb und bei 86 Prozent ihren Höhepunkt erreichte.

Bemerkenswerterweise war der beobachtete Absorptionskoeffizient des Photonen-einfangenden Photodetektors um ein Vielfaches höher als der von reinem Si und übertraf den von GaAs im NIR-Band. Obwohl das vorgeschlagene Design für eine 1 μm dicke Si-Platte vorgesehen war, zeigten Simulationen von 30 und 100 nm dicken Si-Dünnfilmen, die mit CMOS-Elektronik kompatibel sind, eine ähnlich verbesserte Leistung.

Insgesamt veranschaulichen die Ergebnisse dieser Studie eine vielversprechende Strategie zur Verbesserung der Leistung von Si-basierten Fotodetektoren für zukünftige Photonikanwendungen. Durch das Erreichen einer hohen Absorption selbst in ultradünnen Si-Schichten kann die parasitäre Kapazität der Schaltung niedrig bleiben, ein kritischer Faktor in Hochgeschwindigkeitssystemen. Darüber hinaus passt die vorgeschlagene Methode zu modernen CMOS-Herstellungsprozessen und revolutioniert möglicherweise die Art und Weise, wie Optoelektronik in herkömmliche Schaltkreise integriert wird. Dies könnte letztendlich zu erschwinglichen ultraschnellen Computernetzwerken und erheblichen Fortschritten in der Bildgebungstechnologie führen.

Referenz: „Erzielung einer höheren Photoabsorption als Halbleiter der Gruppe III-V in ultraschnellen dünnen Silizium-Fotodetektoren mit integrierten photonenfangenden Oberflächenstrukturen“ von Wayesh Qarony, Ahmed S. Mayet, Ekaterina Ponizovskaya-Devine, Soroush Ghandiparsi, Cesar Bartolo-Perez, Ahasan Ahamed, Amita Rawat, Hasina H. Mamtaz, Toshishige Yamada, Shih-Yuan Wang und M. Saif Islam, 24. Juli 2023, Advanced Photonics Nexus.DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056001