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May 27, 2023

Illuminare il futuro: migliore assorbimento della luce nei fotorilevatori al silicio

Di SPIEA11 agosto 2023 I ricercatori della UC Davis hanno sviluppato un nuovo approccio per migliorare le prestazioni dei fotorilevatori a base di silicio, rivoluzionando potenzialmente l'integrazione dell'optoelettronica in

Da SPIEA11 agosto 2023

I ricercatori della UC Davis hanno sviluppato un nuovo approccio per migliorare le prestazioni dei fotorilevatori basati sul silicio, rivoluzionando potenzialmente l'integrazione dell'optoelettronica nei circuiti convenzionali e portando a reti di computer più veloci e più convenienti e progressi nella tecnologia di imaging.

I ricercatori escogitano un approccio per migliorare notevolmente l'assorbimento del vicino infrarosso nel silicio, che potrebbe portare a dispositivi fotonici convenienti e ad alte prestazioni.

I sistemi fotonici stanno rapidamente guadagnando slancio in numerose applicazioni emergenti, tra cui le comunicazioni ottiche, il rilevamento lidar e l’imaging medico. Tuttavia, l’accettazione generale della fotonica nelle future soluzioni ingegneristiche dipende in larga misura dal costo di produzione dei fotorilevatori, che è in gran parte determinato dal tipo di semiconduttore utilizzato.

Traditionally, silicon (Si) has been the dominant semiconductor in the electronics industry. As a result, the majority of the industry has evolved around this material. However, Si has a relatively low light absorption coefficient in the near-infrared (NIR) spectrum compared to other semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> semiconduttori come l'arseniuro di gallio (GaAs). Per questo motivo, il GaAs e le leghe simili sono più efficaci nelle applicazioni fotoniche, ma non si allineano con i tradizionali processi CMOS (metallo-ossido-semiconduttore complementare) utilizzati nella maggior parte della produzione elettronica. Questa incompatibilità porta ad un aumento significativo dei costi di produzione.

I micro e nano fori che intrappolano i fotoni nel silicio (Si) fanno piegare la luce normalmente incidente di quasi 90°, facendola propagare lateralmente lungo il piano e portando di conseguenza ad un maggiore assorbimento della luce nella banda NIR. Credito: Qarony, Mayet et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

In risposta a questo problema, un gruppo di ricerca dell’UC Davis in California sta sviluppando una nuova strategia per migliorare notevolmente l’assorbimento della luce dei film sottili di Si. Il loro ultimo articolo, pubblicato sulla rivista Advanced Photonics Nexus, presenta la prima dimostrazione sperimentale di fotorilevatori basati su Si con strutture micro e nano-superficiali che intrappolano la luce. Questo approccio ha ottenuto miglioramenti delle prestazioni che corrispondono a quelli del GaAs e di altri semiconduttori del gruppo III-V.

The proposed photodetectors consist of a micrometer-thick cylindrical Si slab placed over an insulating substrate, with metallic “fingers” extending from the contact metals atop the slab in an interdigitated fashion. Importantly, the bulk Si is filled with circular holes arranged in a periodic pattern that act as photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> siti di intrappolamento dei fotoni. La struttura complessiva del dispositivo fa sì che la luce normalmente incidente si pieghi di quasi 90° quando colpisce la superficie, facendola viaggiare lateralmente lungo il piano Si. Queste modalità di propagazione laterale aumentano la lunghezza di propagazione della luce e la rallentano effettivamente, portando a una maggiore interazione luce-materia e a un conseguente aumento dell’assorbimento.