Nouvelle technologie dephotodétecteur au silicium mince
Les structures de capture de photons sont utilisées pour améliorer l'absorption de la lumière dans les matériaux minces.photodétecteurs au silicium
Les systèmes photoniques gagnent rapidement du terrain dans de nombreuses applications émergentes, notamment les communications optiques, la détection LiDAR et l'imagerie médicale. Cependant, l'adoption généralisée de la photonique dans les solutions d'ingénierie du futur dépend du coût de fabrication.photodétecteurs, qui dépend à son tour en grande partie du type de semi-conducteur utilisé à cette fin.
Traditionnellement, le silicium (Si) est le semi-conducteur le plus répandu dans l'industrie électronique, à tel point que la plupart des industries ont évolué autour de ce matériau. Malheureusement, le silicium présente un coefficient d'absorption lumineuse relativement faible dans le spectre proche infrarouge (NIR) par rapport à d'autres semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium (GaAs). De ce fait, le GaAs et les alliages apparentés prospèrent dans les applications photoniques, mais ne sont pas compatibles avec les procédés traditionnels de semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) utilisés dans la production de la plupart des composants électroniques. Cela a entraîné une forte augmentation de leurs coûts de fabrication.
Des chercheurs ont mis au point un moyen d'améliorer considérablement l'absorption du proche infrarouge dans le silicium, ce qui pourrait entraîner des réductions de coûts pour les dispositifs photoniques hautes performances. Une équipe de recherche de l'UC Davis est pionnière dans une nouvelle stratégie visant à améliorer considérablement l'absorption lumineuse dans les couches minces de silicium. Dans leur dernier article publié dans Advanced Photonics Nexus, ils présentent pour la première fois une démonstration expérimentale d'un photodétecteur à base de silicium doté de structures de micro et nanosurfaces capturant la lumière, permettant des améliorations de performances sans précédent, comparables à celles du GaAs et d'autres semi-conducteurs du groupe III-V. Le photodétecteur est constitué d'une plaque de silicium cylindrique de quelques microns d'épaisseur posée sur un substrat isolant, avec des « doigts » métalliques s'étendant en fourche à partir du métal de contact situé au sommet de la plaque. Il est important de noter que le silicium grumeleux est rempli de trous circulaires disposés selon un motif périodique qui servent de sites de capture de photons. La structure globale du dispositif induit une courbure de près de 90° de la lumière incidente lorsqu'elle frappe la surface, lui permettant de se propager latéralement le long du plan du silicium. Ces modes de propagation latérale augmentent la longueur du trajet de la lumière et la ralentissent efficacement, ce qui conduit à davantage d'interactions lumière-matière et donc à une absorption accrue.
Les chercheurs ont également réalisé des simulations optiques et des analyses théoriques pour mieux comprendre les effets des structures de capture de photons, et ont mené plusieurs expériences comparant des photodétecteurs avec et sans ces structures. Ils ont constaté que la capture de photons entraînait une amélioration significative de l'efficacité d'absorption à large bande dans le spectre proche infrarouge, se maintenant au-dessus de 68 % avec un pic à 86 %. Il convient de noter que dans la bande proche infrarouge, le coefficient d'absorption du photodétecteur à capture de photons est plusieurs fois supérieur à celui du silicium ordinaire, dépassant celui de l'arséniure de gallium. De plus, bien que la conception proposée concerne 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 montrent des performances améliorées similaires.
Globalement, 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 des couches de silicium ultra-minces, et la capacité parasite du circuit peut être maintenue à un faible niveau, ce qui est essentiel dans les systèmes à haut débit. De plus, la méthode proposée est compatible avec les procédés de fabrication CMOS modernes et a donc le potentiel de révolutionner l'intégration de l'optoélectronique dans les circuits traditionnels. Cela pourrait ouvrir la voie à des avancées considérables dans les réseaux informatiques ultra-rapides et les technologies d'imagerie abordables.
Date de publication : 12 novembre 2024