薄型シリコン光検出器の新技術

新しい技術薄型シリコン光検出器
光子捕獲構造は、薄膜における光吸収を高めるために使用される。シリコン光検出器
フォトニックシステムは、光通信、LiDARセンシング、医療用画像処理など、多くの新興アプリケーションで急速に普及しています。しかし、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普及は、製造コストに左右されます。光検出器これは、その目的で使用される半導体の種類によって大きく異なります。
伝統的に、シリコン（Si）はエレクトロニクス業界において最も普及した半導体であり、ほとんどの産業がこの材料を中心に成熟してきました。しかしながら、Siはガリウムヒ素（GaAs）などの他の半導体と比較して、近赤外線（NIR）スペクトルにおける光吸収係数が比較的低いという欠点があります。そのため、GaAsや関連合金はフォトニクス用途で広く利用されていますが、多くの電子機器の製造に使用されている従来の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスとの互換性がないため、製造コストが急激に上昇しました。
研究者らは、シリコンにおける近赤外線吸収を大幅に向上させる方法を考案しました。これは高性能光子デバイスのコスト削減につながる可能性があり、カリフォルニア大学デービス校の研究チームは、シリコン薄膜における光吸収を大幅に改善する新たな戦略を開発しています。Advanced Photonics Nexusに掲載された最新論文では、研究チームは、光捕捉用のマイクロおよびナノ表面構造を備えたシリコンベースの光検出器の実験的実証を初めて行い、GaAsなどのIII-V族半導体に匹敵する前例のない性能向上を実現しました。この光検出器は、絶縁基板上に配置された数ミクロン厚の円筒形シリコンプレートで構成され、プレート上部の接触金属からフィンガーフォーク状に伸びる金属「フィンガー」が配置されています。重要なのは、この塊状のシリコンに、光子捕捉サイトとして機能する周期的なパターンで配列された円形の穴が多数存在することです。このデバイスの全体構造により、垂直入射光は表面に当たるとほぼ90°屈曲し、シリコン面に沿って横方向に伝播します。これらの横方向の伝播モードにより、光の移動距離が長くなり、光が実質的に遅くなるため、光と物質の相互作用が増加し、吸収が増加します。
研究者らは、光子捕捉構造の効果をより深く理解するために光学シミュレーションと理論解析を実施し、光子捕捉構造の有無による光検出器の比較実験を複数回行った。その結果、光子捕捉構造によって近赤外域における広帯域吸収効率が大幅に向上し、68%以上、ピーク時には86%に達することが分かった。特筆すべきは、近赤外域において、光子捕捉光検出器の吸収係数が通常のシリコンの数倍、ガリウムヒ素を上回ることである。さらに、提案された設計は1μm厚のシリコン板を対象としているが、CMOSエレクトロニクスと互換性のある30nmおよび100nmのシリコン膜を用いたシミュレーションでも、同様の性能向上が示された。
全体として、本研究の結果は、新興フォトニクス用途におけるシリコンベース光検出器の性能向上に向けた有望な戦略を示しています。極薄シリコン層においても高い吸収率を実現し、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において極めて重要です。さらに、提案された手法は最新のCMOS製造プロセスと互換性があるため、従来の回路にオプトエレクトロニクスを統合する方法に革命をもたらす可能性があります。これはひいては、手頃な価格の超高速コンピュータネットワークやイメージング技術の飛躍的な進歩への道を開く可能性があります。