【重點(diǎn)摘要】
創(chuàng)新設(shè)計(jì):采用微米和納米結(jié)構(gòu)的新型光檢測(cè)器設(shè)計(jì),與其他材料如GaAs具有相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>
提升吸收率:在硅中引入周期性微孔結(jié)構(gòu)顯著提高近紅外光譜的光吸收,超越普通硅甚至GaAs。
適用于薄硅層:在與標(biāo)準(zhǔn)CMOS電子元件兼容的超薄硅層中觀察到光吸收的明顯提升。
現(xiàn)代制造兼容:該方法與現(xiàn)代CMOS制程兼容,可與傳統(tǒng)電路整合,有望革新運(yùn)算和影像技術(shù)。
光子學(xué)進(jìn)步:有望提升基于硅的光檢測(cè)器在新興光子學(xué)應(yīng)用中的性能,確保在薄硅層中達(dá)到高吸收率,適用于高速系統(tǒng)。
加州大學(xué)戴維斯分校(UC Davis)的研究人員正走在放大薄硅膜光吸收能力的開創(chuàng)性前線。這包括開發(fā)具有微納米結(jié)構(gòu)表面的硅基光檢測(cè)器,以有效地捕捉光線,實(shí)現(xiàn)與砷化鎵(GaAs)等先進(jìn)半導(dǎo)體相媲美的性能水平。
硅一直是半導(dǎo)體領(lǐng)域的主宰。然而,與GaAs等半導(dǎo)體相比,其在近紅外光譜(NIR)范圍的光吸收較弱,限制了其應(yīng)用潛力。雖然GaAs及其相關(guān)合金在光子學(xué)方面表現(xiàn)優(yōu)異,但它們與電子制造中使用的傳統(tǒng)CMOS工藝存在兼容性問題,導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高。
突破的關(guān)鍵在于在硅中巧妙放置微納米孔洞,使入射光線幾乎90度彎曲并沿著硅平面橫向傳播。這種創(chuàng)新的捕捉機(jī)制顯著增強(qiáng)了在NIR波段的光吸收。
所設(shè)計(jì)的光電探測(cè)器在絕緣基板頂部配備了微米厚的圓柱形硅(SI)板。至關(guān)重要的是,硅的整體結(jié)構(gòu)具有周期性的圓形孔洞,充當(dāng)高效的光子捕捉位置。這的結(jié)構(gòu)將入射光線復(fù)位向,促使其在硅平面上橫向傳播。這種橫向傳播增加了光的傳播長度,有效地減慢了光速,從而增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用和隨后的吸收。
此外,研究人員進(jìn)行了全面的光學(xué)模擬和理論分析,以了解這些光子捕捉結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),比較了具有這些結(jié)構(gòu)和不具有這些結(jié)構(gòu)的光檢測(cè)器,確認(rèn)在NIR光譜中寬帶上的吸收效率顯著增加,保持在68%以上,峰值令人印象深刻地達(dá)到 86%。
觀察到的光子捕捉光檢測(cè)器的吸收系數(shù)超過普通硅數(shù)倍,甚至超過了NIR波段的GaAs。值得注意的是,模擬涉及與CMOS電子組件兼容的30和100納米硅薄膜,同樣展示了類似增強(qiáng)的性能,突顯了所提出設(shè)計(jì)的靈活性。
研究人員認(rèn)為,這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)提供了一種提高基于硅的光檢測(cè)器在新興光子學(xué)應(yīng)用中性能的有前途的策略。即使在超薄硅層中,實(shí)現(xiàn)高吸收率對(duì)于保持高速系統(tǒng)中的低寄生電容至關(guān)重要。此外,這種提議的方法與現(xiàn)代CMOS制程兼容,有望革新將光電子器件集成到傳統(tǒng)電路中的方式。最終,這種創(chuàng)新可能為具有成本效益的超高速電腦網(wǎng)路打開道路,并在成像技術(shù)方面取得重大進(jìn)展。
該研究已發(fā)表在Advanced Photonics Nexus
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應(yīng)用
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