具有光子捕获结构的薄硅光电探测器的光吸收增强功能
发布时间：2023-07-27 08:00:00 阅读数： 148
硅（Si）中的光子捕获微孔和纳米孔使正常入射光弯曲近 90°，使其沿平面横向传播，从而增加了近红外波段的光吸收。归功于 Qarony、Mayet 等人，doi 10.1117/1.APN.2.5.056001。
光子系统在光通信、激光雷达传感和医疗成像等许多新兴应用中迅速获得了广泛应用。然而，光子技术能否在未来的工程解决方案中得到广泛应用，取决于光电探测器的制造成本，而制造成本又在很大程度上取决于用于该目的的半导体种类。
传统上，硅（Si）一直是电子工业中最普遍的半导体材料，以至于大多数行业都是围绕这种材料发展起来的。遗憾的是，与砷化镓（GaAs）等其他半导体相比，硅在近红外（NIR）光谱中的光吸收系数相对较弱。
正因为如此，砷化镓和相关合金在光子应用中大放异彩，但却与大多数电子产品生产中使用的传统互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺不兼容。这导致其制造成本急剧增加。
为了解决这个问题，加州大学戴维斯分校的一个研究小组正在开创一种新策略，以大大提高硅薄膜的光吸收率。在最新发表于《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）的论文中，他们首次通过实验展示了具有光捕获微米级和纳米级表面结构的硅基光电探测器，实现了前所未有的性能提升，可与砷化镓和其他 III-V 族半导体相媲美。
所提出的光电探测器由一个微米厚的圆柱形硅片组成，硅片置于绝缘基底之上，金属 "手指 "以相互交错的方式从硅片顶部的接触金属延伸出来。重要的是，大块硅板上布满了周期性排列的圆孔，这些圆孔是光子捕获点。该器件的整体结构使正常入射光在照射到表面时发生近 90° 的弯曲，从而使其沿硅平面横向传播。
这些横向传播模式增加了光的传播长度，并有效地减慢了光的传播速度，导致更多的光物质相互作用，从而增加了吸收。
此外，研究人员还进行了光学模拟和理论分析，以更好地了解光子捕获结构的效果，并进行了几项实验，比较有无光子捕获结构的光电探测器。他们发现，光子捕获使近红外光谱宽波段的吸收效率显著提高，保持在 68% 以上，峰值达到 86%。
值得注意的是，光子捕获光电探测器的吸收系数是普通硅的数倍，在近红外波段超过了砷化镓。此外，尽管所提出的设计是针对 1 微米厚的硅片，但与 CMOS 电子设备兼容的 30 纳米和 100 纳米硅薄膜的模拟也显示出类似的增强性能。
总之，这项研究的结果表明，为新兴光子学应用提高硅基光电探测器的性能，是一种很有前途的策略。通过在超薄硅层中实现高吸收，电路的寄生电容可以保持在较低水平，这在高速系统中至关重要。
此外，所提出的方法与现代 CMOS 制造工艺兼容，因此有可能彻底改变光电子集成到传统电路中的方式。反过来，这也可能为经济实惠的超高速计算机网络和成像技术的飞跃铺平道路。
参考资料
Wayesh Qarony et al, Achieving higher photoabsorption than group III-V semiconductors in ultrafast thin silicon photodetectors with integrated photon-trapping surface structures, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056001
原文链接
https://phys.org/news/2023-07-absorption-thin-silicon-photodetectors-photon-trapping.html
