薄いシリコンフォトセクターの新しい技術

の新しいテクノロジー薄いシリコン光検出器
光子キャプチャ構造は、薄い光吸収を強化するために使用されますシリコンフォトセクター
フォトニックシステムは、光学通信、ライダーセンシング、医療イメージングなど、多くの新興アプリケーションで急速に牽引力を獲得しています。ただし、将来のエンジニアリングソリューションにおけるフォトニクスの広範な採用は、製造コストに依存します光検出器、これは、その目的に使用される半導体のタイプに大きく依存します。
伝統的に、シリコン（SI）はエレクトロニクス業界で最もユビキタスな半導体であったため、ほとんどの産業はこの材料を中心に成熟しています。残念ながら、Siは、ヒナイドガリウム（GAAS）などの他の半導体と比較して、近赤外（NIR）スペクトルに比較的弱い光吸収係数を持っています。このため、GAAと関連合金はフォトニックアプリケーションで繁栄していますが、ほとんどの電子機器の生産で使用される従来の相補的な金属酸化半導体（CMOS）プロセスと互換性がありません。これにより、製造コストが急激に増加しました。
研究者は、シリコンの近赤外吸収を大幅に強化する方法を考案しました。これにより、高性能フォトニックデバイスのコスト削減につながる可能性があり、UC Davisの研究チームは、シリコン薄膜の光吸収を大幅に改善するための新しい戦略を開拓しています。 Advanced Photonics Nexusでの最新の論文では、軽くキャプチャするマイクロとナノ表面構造を備えたシリコンベースのフォトセクターの実験的な実証を初めて実証し、GAASおよびその他のII-Vグループの半導体に匹敵する前例のないパフォーマンスの改善を達成します。フォトセクターは、断熱基板上に配置された厚さの円筒形のシリコンプレートで構成され、金属の「指」がプレートの上部にある接触金属から指の泡立ちで伸びています。重要なことに、ゴツゴツしたシリコンは、光子キャプチャサイトとして機能する周期パターンで配置された円形の穴で満たされています。デバイスの全体的な構造により、通常の入射光が表面に当たると90°近く曲がり、SI平面に沿って横方向に伝播できます。これらの横方向の伝播モードは、光の移動の長さを増加させ、効果的に減速し、光と物質の相互作用を増やし、吸収を増加させます。
また、研究者は光学シミュレーションと理論分析を実施して、光子キャプチャ構造の効果をよりよく理解し、フォトセクターを比較した場合と存在しない場合のいくつかの実験を実施しました。彼らは、光子捕獲によりNIRスペクトルのブロードバンド吸収効率が大幅に改善され、86％のピークで68％を超えたことを発見しました。近赤外帯では、光子キャプチャフォトセクターの吸収係数が通常のシリコンの吸収係数よりも数倍高く、アルセニドガリウムを超えていることは注目に値します。さらに、提案された設計は厚さ1μmのシリコンプレート用ですが、CMOSエレクトロニクスと互換性のある30 nmおよび100 nmのシリコンフィルムのシミュレーションは、同様のパフォーマンスを示しています。
全体として、この研究の結果は、新興フォトニクスアプリケーションでのシリコンベースの光検出器の性能を改善するための有望な戦略を示しています。超薄型シリコン層でも高い吸収を達成でき、回路の寄生容量を低く抑えることができます。これは高速システムで重要です。さらに、提案された方法は最新のCMOS製造プロセスと互換性があるため、Optoelectronicsが従来の回路に統合される方法に革命をもたらす可能性があります。これは、手頃な価格の超高速コンピューターネットワークとイメージングテクノロジーの大幅な飛躍への道を開く可能性があります。