微结构硅在光电检测方面的竞争对手 III-V

更新时间:2023-09-28      点击次数:509

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【重点摘要】

  1. 创新设计:采用微米和纳米结构的新型光检测器设计,与其他材料如GaAs具有相当的性能。

  2. 提升吸收率:在硅中引入周期性微孔结构显著提高近红外光谱的光吸收,超越普通硅甚至GaAs。

  3. 适用于薄硅层:在与标准CMOS电子元件兼容的超薄硅层中观察到光吸收的明显提升。

  4. 现代制造兼容:该方法与现代CMOS制程兼容,可与传统电路整合,有望革新运算和影像技术。

  5. 光子学进步:有望提升基于硅的光检测器在新兴光子学应用中的性能,确保在薄硅层中达到高吸收率,适用于高速系统。


加州大学戴维斯分校(UC Davis)的研究人员正走在放大薄硅膜光吸收能力的开创性前线。这包括开发具有微纳米结构表面的硅基光检测器,以有效地捕捉光线,实现与砷化镓(GaAs)等先进半导体相媲美的性能水平。

硅一直是半导体领域的主宰。然而,与GaAs等半导体相比,其在近红外光谱(NIR)范围的光吸收较弱,限制了其应用潜力。虽然GaAs及其相关合金在光子学方面表现优异,但它们与电子制造中使用的传统CMOS工艺存在兼容性问题,导致生产成本升高。

突破的关键在于在硅中巧妙放置微纳米孔洞,使入射光线几乎90度弯曲并沿着硅平面横向传播。这种创新的捕捉机制显著增强了在NIR波段的光吸收。


所设计的光电探测器在绝缘基板顶部配备了微米厚的圆柱形硅(SI)板。至关重要的是,硅的整体结构具有周期性的圆形孔洞,充当高效的光子捕捉位置。这的结构将入射光线复位向,促使其在硅平面上横向传播。这种横向传播增加了光的传播长度,有效地减慢了光速,从而增强了光与物质的相互作用和随后的吸收。

此外,研究人员进行了全面的光学模拟和理论分析,以了解这些光子捕捉结构的影响。进行了大量实验,比较了具有这些结构和不具有这些结构的光检测器,确认在NIR光谱中宽带上的吸收效率显着增加,保持在68%以上,峰值令人印象深刻地达到 86%。


观察到的光子捕捉光检测器的吸收系数超过普通硅数倍,甚至超过了NIR波段的GaAs。值得注意的是,模拟涉及与CMOS电子组件兼容的30和100纳米硅薄膜,同样展示了类似增强的性能,突显了所提出设计的灵活性。

研究人员认为,这项研究的发现提供了一种提高基于硅的光检测器在新兴光子学应用中性能的有前途的策略。即使在超薄硅层中,实现高吸收率对于保持高速系统中的低寄生电容至关重要。此外,这种提议的方法与现代CMOS制程兼容,有望革新将光电子器件集成到传统电路中的方式。最终,这种创新可能为具有成本效益的超高速电脑网路打开道路,并在成像技术方面取得重大进展。

该研究已发表在Advanced Photonics Nexus


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