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Jul 14, 2023

Iluminando el futuro: absorción de luz mejorada en fotodetectores de silicio

Por SPIEA 11 de agosto de 2023 Investigadores de UC Davis han desarrollado un nuevo enfoque para mejorar el rendimiento de los fotodetectores basados ​​en silicio, revolucionando potencialmente la integración de la optoelectrónica en

Por SPIE11 de agosto de 2023

Investigadores de UC Davis han desarrollado un nuevo enfoque para mejorar el rendimiento de los fotodetectores basados ​​en silicio, revolucionando potencialmente la integración de la optoelectrónica en circuitos convencionales y dando lugar a redes informáticas y avances en la tecnología de imágenes más rápidos y asequibles.

Los investigadores idean un enfoque para mejorar enormemente la absorción del infrarrojo cercano en el silicio, lo que podría conducir a dispositivos fotónicos asequibles y de alto rendimiento.

Los sistemas fotónicos están ganando impulso rápidamente en numerosas aplicaciones emergentes, incluidas las comunicaciones ópticas, la detección lidar y las imágenes médicas. Sin embargo, la aceptación general de la fotónica en futuras soluciones de ingeniería depende en gran medida del coste de fabricación de los fotodetectores, que está determinado en gran medida por el tipo de semiconductor utilizado.

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"}]"> Semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs). Debido a esto, el GaAs y aleaciones similares son más eficaces en aplicaciones fotónicas, pero no se alinean con los procesos tradicionales de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) utilizados en la mayor parte de la producción electrónica. Esta incompatibilidad conlleva un aumento significativo de sus costes de fabricación.

Los agujeros de tamaño micro y nano en el silicio (Si) que atrapan fotones hacen que la luz normalmente incidente se doble casi 90°, lo que hace que se propague lateralmente a lo largo del plano y, en consecuencia, aumenta la absorción de luz en la banda NIR. Crédito: Qarony, Mayet, et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

En respuesta a esta cuestión, un equipo de investigación de UC Davis en California está desarrollando una estrategia novedosa para mejorar drásticamente la absorción de luz de películas delgadas de Si. Su último artículo, publicado en la revista Advanced Photonics Nexus, presenta la primera demostración experimental de fotodetectores basados ​​en Si con estructuras de micro y nanosuperficies que atrapan la luz. Este enfoque ha logrado mejoras de rendimiento que coinciden con las del GaAs y otros semiconductores del grupo 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"}]"> Sitios de captura de fotones. La estructura general del dispositivo hace que la luz normalmente incidente se doble casi 90° al golpear la superficie, haciéndola viajar lateralmente a lo largo del plano Si. Estos modos de propagación lateral aumentan la longitud de propagación de la luz y efectivamente la ralentizan, lo que lleva a una mayor interacción luz-materia y el consiguiente aumento de la absorción.

Además, los investigadores realizaron simulaciones ópticas y análisis teóricos para comprender mejor los efectos de las estructuras que atrapan fotones y realizaron varios experimentos comparando fotodetectores con y sin ellas. Descubrieron que la captura de fotones conducía a un aumento notable en la eficiencia de absorción en una amplia banda del espectro NIR, manteniéndose por encima del 68 por ciento y alcanzando un máximo del 86 por ciento.

En particular, el coeficiente de absorción observado del fotodetector que atrapa fotones fue varias veces mayor que el del Si simple y superó al del GaAs en la banda NIR. Además, aunque el diseño propuesto era para una losa de Si de 1 μm de espesor, las simulaciones de películas delgadas de Si de 30 y 100 nm compatibles con la electrónica CMOS mostraron un rendimiento similarmente mejorado.

En general, los hallazgos de este estudio ilustran una estrategia prometedora para mejorar el rendimiento de los fotodetectores basados ​​en Si para las próximas aplicaciones fotónicas. Al lograr una alta absorción incluso en capas de Si ultrafinas, la capacitancia parásita del circuito puede permanecer baja, un factor crítico en sistemas de alta velocidad. Además, el método propuesto se alinea con los procesos de fabricación CMOS modernos, revolucionando potencialmente la forma en que se integra la optoelectrónica en los circuitos convencionales. Esto podría eventualmente conducir a redes informáticas ultrarrápidas asequibles y avances sustanciales en la tecnología de imágenes.

Referencia: “Lograr una mayor fotoabsorción que los semiconductores del grupo III-V en fotodetectores de silicio delgados y ultrarrápidos con estructuras de superficie integradas que atrapan fotones” por 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 y M. Saif Islam, 24 de julio de 2023, Advanced Photonics Nexus.DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056001