重點摘要
創新設計：採用微米和奈米結構的新型光檢測器設計，與其他材料如GaAs具有相當的性能。
提升吸收率：在矽中引入周期性微孔結構顯著提高近紅外光譜的光吸收，超越普通矽甚至GaAs。
適用於薄矽層：在與標準CMOS電子元件相容的超薄硅層中觀察到光吸收的明顯提升。
現代製造兼容：該方法與現代CMOS製程兼容，可與傳統電路整合，有望革新運算和影像技術。
光子學進步：有望提升基於矽的光檢測器在新興光子學應用中的性能，確保在薄矽層中達到高吸收率，適用於高速系統。
加州大學戴維斯分校（UC Davis）的研究人員正走在放大薄矽膜光吸收能力的開創性努力的最前線。這包括開發具有微納米結構表面的矽基光檢測器，以有效地捕捉光線，實現與砷化鎵（GaAs）等先進半導體相媲美的性能水平。
矽一直是半導體領域的主宰。然而，與GaAs等半導體相比，其在近紅外光譜（NIR）範圍的光吸收較弱，限制了其應用潛力。雖然GaAs及其相關合金在光子學方面表現優異，但它們與電子製造中使用的傳統CMOS工藝存在兼容性問題，導致生產成本升高。
突破的關鍵在於在矽中巧妙放置微納米孔洞，使入射光線幾乎90度彎曲並沿著矽平面橫向傳播。這種創新的捕捉機制顯著增強了在NIR波段的光吸收。
所設計的光電探測器在絕緣基板頂部配備了微米厚的圓柱形矽（SI）板。至關重要的是，矽的整體結構具有周期性的圓形孔洞，充當高效的光子捕捉位置。這種獨特的結構將入射光線重定向，促使其在矽平面上橫向傳播。這種橫向傳播增加了光的傳播長度，有效地減慢了光速，從而增強了光與物質的相互作用和隨後的吸收。
此外，研究人員進行了全面的光學模擬和理論分析，以了解這些光子捕捉結構的影響。進行了大量實驗，比較了具有這些結構和不具有這些結構的光檢測器，確認在NIR光譜中寬帶上的吸收效率顯著增加，保持在68％以上，峰值令人印象深刻地達到 86%。
觀察到的光子捕捉光檢測器的吸收係數超過普通矽數倍，甚至超過了NIR波段的GaAs。值得注意的是，模擬涉及與CMOS電子元件兼容的30和100納米矽薄膜，同樣展示了類似增強的性能，突顯了所提出設計的靈活性。
研究人員認為，這項研究的發現提供了一種提高基於矽的光檢測器在新興光子學應用中性能的有前途的策略。即使在超薄矽層中，實現高吸收率對於保持高速系統中的低寄生電容至關重要。此外，這種提議的方法與現代CMOS製程相容，有望革新將光電子器件集成到傳統電路中的方式。最終，這種創新可能為具有成本效益的超高速電腦網路打開道路，並在成像技術方面取得重大進展。
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光子捕捉矽 MSM 光電檢測器的示意圖。通過專為光子捕獲而設計的的圓柱孔陣列，使入射光經彎曲而產生橫向傳播，顯著提高了矽的光子吸收。
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