微結(jié)構(gòu)硅在光電檢測方面的競爭對手 III-V

【重點摘要】

1. 創(chuàng)新設(shè)計：采用微米和納米結(jié)構(gòu)的新型光檢測器設(shè)計，與其他材料如GaAs具有相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

2. 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。

3. 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。

4. 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，有望革新運算和影像技術(shù)。

5. 光子學(xué)進(jìn)步：有望提升基于硅的光檢測器在新興光子學(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)表面的硅基光檢測器，以有效地捕捉光線，實現(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)制顯著增強了在NIR波段的光吸收。

所設(shè)計的光電探測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)行了大量實驗，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的性能，突顯了所提出設(shè)計的靈活性。

研究人員認(rèn)為，這項研究的發(fā)現(xiàn)提供了一種提高基于硅的光檢測器在新興光子學(xué)應(yīng)用中性能的有前途的策略。即使在超薄硅層中，實現(xiàn)高吸收率對于保持高速系統(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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