박막 실리콘 광검출기의 새로운 기술

새로운 기술얇은 실리콘 광검출기
광자 포획 구조는 얇은 막에서 빛 흡수율을 향상시키는 데 사용됩니다.실리콘 광검출기
광자 시스템은 광통신, LiDAR 센싱, 의료 영상 등 여러 신흥 응용 분야에서 빠르게 주목받고 있습니다. 그러나 미래 엔지니어링 솔루션에서 광자 기술의 광범위한 도입은 제조 비용에 달려 있습니다.광검출기이는 해당 목적에 사용되는 반도체의 종류에 크게 좌우됩니다.
전통적으로 실리콘(Si)은 전자 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체였으며, 대부분의 산업이 이 소재를 중심으로 발전해 왔습니다. 그러나 실리콘은 갈륨비소(GaAs)와 같은 다른 반도체에 비해 근적외선(NIR) 영역에서 빛 흡수율이 상대적으로 낮습니다. 이러한 특성 때문에 GaAs 및 관련 합금은 광자 응용 분야에서 활발히 사용되고 있지만, 대부분의 전자 제품 생산에 사용되는 기존의 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정과는 호환되지 않습니다. 이로 인해 제조 비용이 급격히 증가했습니다.
연구진은 실리콘의 근적외선 흡수율을 획기적으로 향상시키는 방법을 개발했는데, 이는 고성능 광자 소자의 비용 절감으로 이어질 수 있습니다. UC Davis 연구팀은 실리콘 박막의 광 흡수율을 크게 개선하는 새로운 전략을 개척하고 있습니다. Advanced Photonics Nexus에 발표된 최신 논문에서 연구팀은 빛을 포착하는 마이크로 및 나노 표면 구조를 갖춘 실리콘 기반 광검출기의 실험적 구현을 ​​최초로 시연했으며, GaAs 및 기타 III-V족 반도체와 유사한 전례 없는 성능 향상을 달성했습니다. 이 광검출기는 절연 기판 위에 놓인 마이크론 두께의 원통형 실리콘 판으로 구성되며, 판 상단의 접촉 금속에서 손가락과 포크 모양으로 뻗어 나온 금속 "손가락"이 있습니다. 중요한 것은 울퉁불퉁한 실리콘 표면에 주기적인 패턴으로 배열된 원형 구멍이 채워져 있어 광자 포착 부위 역할을 한다는 것입니다. 이 소자의 전체 구조는 수직으로 입사하는 빛이 표면에 닿을 때 거의 90°로 휘어지게 하여 실리콘 평면을 따라 측면으로 진행하게 합니다. 이러한 측면 전파 모드는 빛의 이동 거리를 증가시키고 실질적으로 속도를 늦춰 빛과 물질 간의 상호작용을 더 많이 발생시키고 결과적으로 흡수를 증가시킵니다.
연구진은 광자 포획 구조의 효과를 더 잘 이해하기 위해 광학 시뮬레이션과 이론적 분석을 수행했으며, 광자 포획 구조가 있는 광검출기와 없는 광검출기를 비교하는 여러 실험을 진행했습니다. 그 결과, 광자 포획 구조는 근적외선(NIR) 스펙트럼에서 광대역 흡수 효율을 크게 향상시켜 68% 이상을 유지하고 최고 86%까지 도달하는 것을 확인했습니다. 특히 근적외선 대역에서 광자 포획 광검출기의 흡수 계수는 일반 실리콘보다 수 배 높으며, 갈륨비소보다도 높은 것으로 나타났습니다. 또한, 제안된 설계는 1μm 두께의 실리콘 판을 기준으로 했지만, CMOS 전자 회로와 호환되는 30nm 및 100nm 두께의 실리콘 박막에 대한 시뮬레이션 결과에서도 유사한 성능 향상이 관찰되었습니다.
전반적으로, 본 연구 결과는 차세대 광전자 응용 분야에서 실리콘 기반 광검출기의 성능을 향상시킬 수 있는 유망한 전략을 제시합니다. 초박형 실리콘 층에서도 높은 흡수율을 달성할 수 있으며, 고속 시스템에 필수적인 회로의 기생 정전 용량을 낮게 유지할 수 있습니다. 또한, 제안된 방법은 최신 CMOS 제조 공정과 호환되므로 광전자 소자를 기존 회로에 통합하는 방식을 혁신할 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 결과적으로 저렴한 초고속 컴퓨터 네트워크 및 이미징 기술의 비약적인 발전을 위한 길을 열어줄 수 있습니다.