Nouvelle technologie de photodétecteur mince en silicium

Nouvelle technologie dephotodétecteur de silicium mince
Les structures de capture de photons sont utilisées pour améliorer l'absorption de la lumière en mincePhotodétecteurs en silicium
Les systèmes photoniques gagnent rapidement dans de nombreuses applications émergentes, notamment les communications optiques, la détection du LiDAR et l'imagerie médicale. Cependant, l'adoption généralisée de la photonique dans les futures solutions d'ingénierie dépend du coût de la fabricationphotodétecteurs, qui à son tour dépend en grande partie du type de semi-conducteur utilisé à cette fin.
Traditionnellement, le silicium (SI) a été le semi-conducteur le plus omniprésent de l'industrie de l'électronique, à tel point que la plupart des industries ont mûri autour de ce matériau. Malheureusement, Si a un coefficient d'absorption de lumière relativement faible dans le spectre presque infrarouge (NIR) par rapport à d'autres semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GAAS). Pour cette raison, le GAAS et les alliages connexes prospèrent dans les applications photoniques mais ne sont pas compatibles avec les processus traditionnels de semi-conducteur en oxyde de métal complémentaire (CMOS) utilisés dans la production de la plupart des électroniques. Cela a entraîné une forte augmentation de leurs coûts de fabrication.
Les chercheurs ont conçu un moyen d'améliorer considérablement l'absorption proche infrarouge dans le silicium, ce qui pourrait entraîner des réductions de coûts dans les dispositifs photoniques à haute performance, et une équipe de recherche UC Davis pionnie une nouvelle stratégie pour améliorer considérablement l'absorption de lumière dans les films minces du silicium. Dans leur dernier article sur Advanced Photonics Nexus, ils démontrent pour la première fois une démonstration expérimentale d'un photodétecteur à base de silicium avec des micro - et des structures nano-surface, réalisant des améliorations de performances sans précédent comparables à GAAS et à d'autres semi-conducteurs de groupe III-V. Le photodétecteur est constitué d'une plaque de silicium cylindrique à micron épaisses placée sur un substrat isolant, avec des «doigts» métalliques s'étendant de manière à la fourchette du doigt du métal de contact en haut de l'assiette. Surtout, le silicium grumeleux est rempli de trous circulaires disposés selon un modèle périodique qui agissent comme des sites de capture de photons. La structure globale du dispositif provoque une plie de la lumière normalement incidente de près de 90 ° lorsqu'elle frappe la surface, lui permettant de se propager latéralement le long du plan SI. Ces modes de propagation latérale augmentent la longueur du voyage de la lumière et le ralentissent efficacement, conduisant à des interactions plus lumineuses et donc à une absorption accrue.
Les chercheurs ont également effectué des simulations optiques et des analyses théoriques pour mieux comprendre les effets des structures de capture de photons et ont mené plusieurs expériences comparant les photodétecteurs avec et sans eux. Ils ont constaté que la capture de photons conduisait à une amélioration significative de l'efficacité d'absorption à large bande dans le spectre NIR, restant au-dessus de 68% avec un pic de 86%. Il convient de noter que dans la bande infrarouge proche, le coefficient d'absorption du photodétecteur de capture de photons est plusieurs fois plus élevé que celui du silicium ordinaire, dépassant l'arséniure de gallium. De plus, bien que la conception proposée soit pour des plaques de silicium de 1 μm d'épaisseur, des simulations de films de silicium de 30 nm et 100 nm compatibles avec l'électronique CMOS présentent des performances améliorées similaires.
Dans l'ensemble, les résultats de cette étude démontrent une stratégie prometteuse pour améliorer les performances des photodétecteurs à base de silicium dans les applications photoniques émergentes. Une absorption élevée peut être obtenue même dans les couches de silicium ultra-minces, et la capacité parasite du circuit peut être maintenue bas, ce qui est essentiel dans les systèmes à grande vitesse. De plus, la méthode proposée est compatible avec les processus de fabrication des CMOS modernes et a donc le potentiel de révolutionner la façon dont l'optoélectronique est intégrée dans les circuits traditionnels. Ceci, à son tour, pourrait ouvrir la voie à des sauts substantiels dans les réseaux informatiques ultra-rapides abordables et la technologie d'imagerie.