얇은 실리콘 광검출기의 신기술

새로운 기술얇은 실리콘 광검출기
광자 포획 구조는 얇은 표면에서 빛 흡수를 향상시키는 데 사용됩니다.실리콘 광검출기
광자 시스템은 광통신, LiDAR 감지, 의료 영상 등 다양한 신흥 응용 분야에서 빠르게 주목을 받고 있습니다. 그러나 미래 엔지니어링 솔루션에서 포토닉스의 광범위한 채택은 제조 비용에 따라 달라집니다.광검출기이는 해당 목적에 사용되는 반도체의 유형에 따라 크게 달라집니다.
전통적으로 실리콘(Si)은 전자 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체였으며 대부분의 산업이 이 소재를 중심으로 성숙해졌습니다. 불행하게도 Si는 갈륨비소(GaAs)와 같은 다른 반도체에 비해 근적외선(NIR) 스펙트럼에서 상대적으로 약한 광흡수 계수를 가지고 있습니다. 이로 인해 GaAs 및 관련 합금은 광자 응용 분야에서 활발히 사용되고 있지만 대부분의 전자 제품 생산에 사용되는 전통적인 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정과 호환되지 않습니다. 이로 인해 제조 비용이 급격히 증가했습니다.
연구원들은 실리콘의 근적외선 흡수를 크게 향상시켜 고성능 광소자의 비용 절감을 가져올 수 있는 방법을 고안했으며, UC Davis 연구팀은 실리콘 박막의 광 흡수를 크게 향상시키는 새로운 전략을 개척하고 있습니다. Advanced Photonics Nexus의 최신 논문에서 그들은 빛을 포착하는 마이크로 및 나노 표면 구조를 갖춘 실리콘 기반 광검출기의 실험적 시연을 처음으로 시연하여 GaAs 및 기타 III-V 그룹 반도체와 비교할 수 있는 전례 없는 성능 향상을 달성했습니다. . 광검출기는 절연 기판 위에 배치된 미크론 두께의 원통형 실리콘 판으로 구성되며, 금속 "핑거"는 판 상단의 접촉 금속에서 핑거포크 방식으로 연장됩니다. 중요한 것은 덩어리진 실리콘이 광자 포획 장소 역할을 하는 주기적인 패턴으로 배열된 원형 구멍으로 채워져 있다는 것입니다. 장치의 전체 구조로 인해 수직 입사광이 표면에 닿을 때 거의 90° 구부러져 Si 평면을 따라 측면으로 전파될 수 있습니다. 이러한 측면 전파 모드는 빛의 이동 길이를 늘리고 효과적으로 속도를 늦추어 빛과 물질의 상호 작용을 증가시켜 흡수를 증가시킵니다.
또한 연구원들은 광자 포획 구조의 효과를 더 잘 이해하기 위해 광학 시뮬레이션과 이론적 분석을 수행했으며 광검출기가 있는 경우와 없는 경우를 비교하는 여러 실험을 수행했습니다. 그들은 광자 포획이 NIR 스펙트럼에서 광대역 흡수 효율을 크게 향상시켜 최고 86%로 68% 이상을 유지한다는 사실을 발견했습니다. 근적외선 대역에서 광자 포획 광검출기의 흡수 계수는 갈륨 비소를 초과하는 일반 실리콘의 흡수 계수보다 몇 배 더 높다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 또한 제안된 설계는 1μm 두께의 실리콘 플레이트용이지만 CMOS 전자 장치와 호환되는 30nm 및 100nm 실리콘 필름의 시뮬레이션에서는 유사한 향상된 성능을 보여줍니다.
전반적으로, 이 연구의 결과는 신흥 포토닉스 응용 분야에서 실리콘 기반 광검출기의 성능을 향상시키기 위한 유망한 전략을 보여줍니다. 초박형 실리콘 층에서도 높은 흡수율을 달성할 수 있으며, 회로의 기생 용량을 낮게 유지할 수 있는데, 이는 고속 시스템에서 매우 중요합니다. 또한 제안된 방법은 최신 CMOS 제조 공정과 호환되므로 광전자 공학이 기존 회로에 통합되는 방식에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다. 이는 결과적으로 저렴한 초고속 컴퓨터 네트워크와 이미징 기술에서 상당한 도약을 위한 길을 열 수 있습니다.