光子系统在许多新兴应用中迅速获得关注，包括光通信、激光雷达传感和医学成像。然而，光子学在未来工程解决方案中的广泛采用取决于光电探测器的制造成本，而光电探测器的成本又很大程度上取决于用于该目的的半导体类型。

传统上，硅(Si)一直是电子行业中最普遍的半导体，以至于大多数行业都围绕这种材料走向成熟。遗憾的是，与砷化镓(GaAs)等其他半导体相比，硅在近红外(NIR)光谱中的光吸收系数相对较弱。

因此，GaAs和相关合金在光子应用中蓬勃发展，但与大多数电子产品生产中使用的传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺不兼容。这导致其制造成本急剧增加。

为了解决这个问题，加州大学戴维斯分校的一个研究小组正在开创一种新策略，以大大提高硅薄膜的光吸收率。在《AdvancedPhotonicsNexus》上发表的最新论文中，他们首次展示了具有光捕获微米和纳米表面结构的硅基光电探测器，实现了前所未有的性能提升，可与GaAs和其他III-V族半导体相媲美。

所提出的光电探测器由放置在绝缘基板上的微米厚的圆柱形硅板组成，金属“手指”以叉指的方式从板顶部的接触金属延伸。重要的是，块体硅中充满了以周期性图案排列的圆形孔，充当光子捕获位点。该器件的整体结构使正常入射光在撞击表面时弯曲近90°，使其沿着Si平面横向传播。

这些横向传播模式增加了光的传播长度并有效地减慢了光的传播速度，从而导致更多的光与物质相互作用，从而增加了吸收。

研究人员还进行了光学模拟和理论分析，以更好地了解光子捕获结构的影响，并进行了几项实验来比较有和没有它们的光电探测器。他们发现，光子捕获导致近红外光谱中较宽波段的吸收效率显着提高，保持在68%以上，峰值达到86%。

值得注意的是，观察到的光子捕获光电探测器的吸收系数比普通硅高几倍，并且在近红外波段超过了砷化镓。此外，虽然所提出的设计是针对1μm厚的硅板，但与CMOS电子器件兼容的30纳米和100纳米硅薄膜的模拟显示出类似的增强性能。

总的来说，这项研究的结果证明了一种有前途的策略，可以提高新兴光子学应用中硅基光电探测器的性能。即使在超薄硅层中也能实现高吸收，电路的寄生电容可以保持较低，这对于高速系统至关重要。

此外，所提出的方法与现代CMOS制造工艺兼容，因此有可能彻底改变光电子器件集成到传统电路中的方式。反过来，这可能为经济实惠的超高速计算机网络和成像技术的重大飞跃铺平道路。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：探测器硅光子