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May 27, 2023

미래 조명: 실리콘 광검출기의 향상된 광 흡수

By SPIE2023년 8월 11일 UC Davis 연구원들은 실리콘 기반 광검출기의 성능을 향상시키는 새로운 접근 방식을 개발하여 잠재적으로 광전자 공학 통합을

작성자: SPIE2023년 8월 11일

UC Davis 연구원들은 실리콘 기반 광검출기의 성능을 개선하여 잠재적으로 기존 회로에 광전자 공학을 통합하고 더 빠르고 저렴한 컴퓨터 네트워크 및 이미징 기술 발전을 이끄는 새로운 접근 방식을 개발했습니다.

연구자들은 실리콘의 근적외선 흡수를 크게 향상시켜 저렴한 고성능 광자 장치를 개발할 수 있는 접근 방식을 고안했습니다.

광자 시스템은 광통신, LiDAR 감지, 의료 영상 등 수많은 신흥 응용 분야에서 빠르게 추진력을 얻고 있습니다. 그러나 미래 엔지니어링 솔루션에서 포토닉스의 일반적인 수용 여부는 주로 사용되는 반도체 유형에 따라 결정되는 광검출기 제조 비용에 크게 좌우됩니다.

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"}]"> 갈륨비소(GaAs)와 같은 반도체. 이로 인해 GaAs 및 유사한 합금은 광자 응용 분야에서 더 효과적이지만 대부분의 전자 제품 생산에 사용되는 전통적인 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 공정과 일치하지 않습니다. 이러한 비호환성으로 인해 제조 비용이 크게 증가합니다.

실리콘(Si)의 광자 포획 마이크로 및 나노 크기 구멍은 수직 입사광을 거의 90° 굽혀 평면을 따라 측면으로 전파되도록 하고 결과적으로 NIR 대역에서 광 흡수를 증가시킵니다. 출처: Qarony, Mayet, et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

이 문제에 대응하여 캘리포니아 UC Davis 연구팀은 Si 박막의 광 흡수를 획기적으로 향상시키는 새로운 전략을 개발하고 있습니다. 저널 Advanced Photonics Nexus에 게재된 최신 논문은 광을 포획하는 마이크로 및 나노 표면 구조를 갖춘 Si 기반 광검출기에 대한 최초의 실험적 시연을 제시합니다. 이 접근 방식을 통해 GaAs 및 기타 III-V족 반도체에 필적하는 성능 향상을 달성했습니다.

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"}]"> 광자 포획 사이트. 장치의 전체 구조는 수직 입사광이 표면에 부딪힐 때 거의 90° 구부러져 Si 평면을 따라 측면으로 이동하게 만듭니다. 이러한 측면 전파 모드는 빛의 전파 길이를 늘리고 효과적으로 속도를 늦추어 빛과 물질의 상호 작용을 높이고 결과적으로 흡수를 증가시킵니다.