薄型シリコン光検出器の新技術

の新技術薄型シリコン光検出器
光子捕獲構造は、薄い層での光吸収を強化するために使用されます。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、医療画像処理など、多くの新興アプリケーションで急速に注目を集めています。ただし、将来のエンジニアリング ソリューションでフォトニクスが広く採用されるかどうかは、製造コストに依存します。光検出器、その目的に使用される半導体の種類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普及している半導体であり、ほとんどの業界がこの材料を中心に成熟してきました。残念ながら、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 (NIR) スペクトルにおける光吸収係数が比較的弱いです。このため、GaAs および関連合金はフォトニクス用途で盛んですが、ほとんどのエレクトロニクスの製造に使用される従来の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) プロセスとは互換性がありません。これにより、製造コストが大幅に上昇しました。
研究者らは、シリコンの近赤外線吸収を大幅に強化する方法を考案し、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、カリフォルニア大学デービス校の研究チームは、シリコン薄膜の光吸収を大幅に改善する新しい戦略を開拓している。 Advanced Photonics Nexus での最新の論文で、彼らは、光を捕捉する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デモンストレーションを初めて実証し、GaAs や他の III-V 族半導体に匹敵する前例のない性能向上を達成しました。 。光検出器は、絶縁基板上に配置された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指フォーク状に金属「フィンガー」が伸びています。重要なのは、ゴツゴツしたシリコンには、光子捕獲サイトとして機能する周期的なパターンで配置された円形の穴が満たされているということです。デバイスの全体的な構造により、垂直入射光は表面に当たるときにほぼ 90° 曲げられ、Si 面に沿って横方向に伝播します。これらの横方向伝播モードは、光の移動距離を増加させ、効果的に光の速度を低下させ、より多くの光物質の相互作用を引き起こし、それにより吸収を増加させます。
研究者らはまた、光子捕獲構造の影響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、光子捕獲構造を備えた光検出器と備えていない光検出器を比較するいくつかの実験を実施した。彼らは、光子の捕捉により、NIR スペクトルにおける広帯域吸収効率が大幅に向上し、ピーク 86% で 68% 以上を維持できることを発見しました。近赤外帯域では、光子捕獲光検出器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、ガリウムヒ素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では、同様の強化された性能が示されています。
全体として、この研究の結果は、新興フォトニクス用途におけるシリコンベースの光検出器の性能を向上させるための有望な戦略を示しています。非常に薄い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保つことができます。これは高速システムでは重要です。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、オプトエレクトロニクスを従来の回路に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 ネットワークとイメージング技術の大幅な飛躍への道を開く可能性があります。