얇은 실리콘 광검출기의 새로운 기술

새로운 기술의얇은 실리콘 광검출기
광자 포획 구조는 얇은 막에서 빛 흡수를 향상시키는 데 사용됩니다.실리콘 광검출기
광자 시스템은 광통신, LiDAR 센싱, 의료 영상 등 여러 신흥 응용 분야에서 빠르게 주목을 받고 있습니다. 그러나 미래 엔지니어링 솔루션에서 광자 기술의 광범위한 채택은 제조 비용에 달려 있습니다.광검출기이는 해당 목적에 사용되는 반도체 유형에 따라 크게 달라집니다.
전통적으로 실리콘(Si)은 전자 산업에서 가장 널리 사용되는 반도체였으며, 대부분의 산업이 이 소재를 중심으로 발전해 왔습니다. 하지만 안타깝게도 Si는 갈륨비소(GaAs)와 같은 다른 반도체에 비해 근적외선(NIR) 스펙트럼에서 상대적으로 약한 광 흡수 계수를 가지고 있습니다. 이 때문에 GaAs 및 관련 합금은 광자 응용 분야에서는 큰 성공을 거두고 있지만, 대부분의 전자 제품 생산에 사용되는 기존의 상보형 금속산화물 반도체(CMOS) 공정과는 호환되지 않습니다. 이로 인해 제조 비용이 급격히 증가했습니다.
연구진은 실리콘의 근적외선 흡수를 크게 향상시키는 방법을 개발하여 고성능 광소자의 비용 절감으로 이어질 수 있을 것으로 기대하고 있으며, UC 데이비스 연구팀은 실리콘 박막의 광 흡수를 크게 향상시키는 새로운 전략을 개발하고 있습니다. Advanced Photonics Nexus에 발표된 최신 논문에서, 연구팀은 빛을 포착하는 마이크로 및 나노 표면 구조를 가진 실리콘 기반 광검출기의 실험적 시연을 최초로 시연하여 GaAs 및 기타 III-V족 반도체와 비교할 수 있는 전례 없는 성능 향상을 달성했습니다. 광검출기는 절연 기판 위에 놓인 마이크론 두께의 원통형 실리콘 판으로 구성되며, 판 상단의 접촉 금속에서 손가락 모양의 금속 "핑거"가 포크 형태로 뻗어 있습니다. 중요한 것은, 울퉁불퉁한 실리콘 내부에 주기적인 패턴으로 배열된 원형 구멍들이 채워져 있으며, 이 구멍들이 광자 포착 지점 역할을 한다는 것입니다. 이 장치의 전반적인 구조는 수직으로 입사하는 빛이 표면에 닿을 때 거의 90° 휘어지도록 하여 실리콘 평면을 따라 측면으로 전파되도록 합니다. 이러한 측면 전파 모드는 빛의 이동 거리를 늘리고 효과적으로 속도를 늦추어 빛과 물질의 상호작용을 증가시키고 결과적으로 흡수를 증가시킵니다.
연구진은 광자 포획 구조의 효과를 더 잘 이해하기 위해 광학 시뮬레이션과 이론적 분석을 수행했으며, 광 검출기와 광 검출기를 비교하는 여러 실험을 수행했습니다. 그 결과, 광자 포획 구조가 NIR 스펙트럼에서 광대역 흡수 효율을 크게 향상시켜 68% 이상을 유지했으며, 피크는 86%였습니다. 근적외선 대역에서 광자 포획 광 검출기의 흡수 계수가 일반 실리콘보다 몇 배나 높아 갈륨비소를 능가한다는 점은 주목할 만합니다. 또한, 제안된 설계는 1μm 두께의 실리콘 판을 대상으로 했지만, CMOS 전자 소자와 호환되는 30nm 및 100nm 실리콘 박막 시뮬레이션에서도 유사한 수준의 향상된 성능을 보였습니다.
전반적으로, 본 연구 결과는 신흥 광자학 응용 분야에서 실리콘 기반 광검출기의 성능을 향상시키는 유망한 전략을 보여줍니다. 초박형 실리콘 층에서도 높은 흡수율을 달성할 수 있으며, 회로의 기생 커패시턴스를 낮게 유지할 수 있는데, 이는 고속 시스템에서 매우 중요합니다. 또한, 제안된 방법은 최신 CMOS 제조 공정과 호환되므로 광전자 소자가 기존 회로에 통합되는 방식에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다. 이는 궁극적으로 저렴한 초고속 컴퓨터 네트워크 및 이미징 기술의 비약적인 발전을 위한 토대를 마련할 수 있습니다.