硅光电探测器媲美三-五代同类产品
发布时间：2023-08-08 00:00:00 阅读数： 194
加州大学戴维斯分校（UC Davis）的研究人员正在开发一种提高硅薄膜光吸收率的策略。研究小组展示了具有光捕获微表面和纳米表面结构的硅基光电探测器，其性能可与砷化镓（GaAs）和其他 III-V 族半导体相媲美。
传统上，硅一直是电子工业中最普遍的半导体。遗憾的是，与砷化镓等其他半导体相比，硅在近红外光谱中的光吸收系数相对较弱。因此，砷化镓和相关合金在光子应用中发展迅猛，但却与大多数电子产品生产中使用的传统 CMOS 工艺不兼容。这导致制造成本急剧增加。
硅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。Wayesh Qarony 等人提供，doi 10.1117/1.APN.2.5.056001。
研究人员提出的光电探测器由一个微米厚的圆柱形硅片（SI）组成，硅片置于绝缘基板之上，金属 "手指 "以相互咬合的方式从硅片顶部的接触金属中伸出。重要的是，硅片上布满了以周期性模式排列的圆孔，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 90º 的弯曲，从而使其沿着硅平面横向传播。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。
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 纳米硅薄膜的模拟结果表明，其性能也得到了类似的提高。
据研究人员称，这项研究结果展示了一种很有前途的策略，可以提高硅基光电探测器的性能，用于新兴光子学应用。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，有可能彻底改变光电子集成到传统电路中的方式。反过来，这可能会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。
这项研究发表在（Advanced Photonics Nexus）（www.doi.org/10.1117/1.APN.2.5.056001）上。
