Nouvelle technologie dephotodétecteur en silicium mince
Les structures de capture de photons sont utilisées pour améliorer l'absorption de la lumière dans les couches minces.photodétecteurs au silicium
Les systèmes photoniques gagnent rapidement du terrain dans de nombreuses applications émergentes, notamment les communications optiques, la télédétection LiDAR et l'imagerie médicale. Cependant, leur adoption généralisée dans les solutions d'ingénierie futures dépendra du coût de fabrication.photodétecteursce qui dépend 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 secteurs industriels se sont développés autour de ce matériau. Malheureusement, le Si présente un coefficient d'absorption lumineuse relativement faible dans le proche infrarouge (NIR) comparé à d'autres semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium (GaAs). De ce fait, le GaAs et ses alliages apparentés sont très utilisés dans les applications photoniques, mais ne sont pas compatibles avec les procédés CMOS (semi-conducteur métal-oxyde complémentaire) classiques employés pour la fabrication de la plupart des composants électroniques. Ceci a entraîné une forte augmentation de leurs coûts de production.
Des chercheurs ont mis au point une méthode permettant d'améliorer considérablement l'absorption du silicium dans le proche infrarouge, ce qui pourrait réduire le coût des dispositifs photoniques haute performance. Une équipe de recherche de l'UC Davis explore une nouvelle stratégie pour optimiser l'absorption de la lumière dans les couches minces de silicium. Dans leur dernier article présenté à Advanced Photonics Nexus, ils démontrent pour la première fois le fonctionnement expérimental d'un photodétecteur à base de silicium doté de micro- et nanostructures de surface captant la lumière. Ce photodétecteur atteint des performances sans précédent, comparables à celles du GaAs et d'autres semi-conducteurs du groupe III-V. Il est constitué d'une plaque cylindrique de silicium d'un micron d'épaisseur, déposée sur un substrat isolant. Des « doigts » métalliques, disposés en fourche, s'étendent depuis le métal de contact situé en haut de la plaque. Le silicium granuleux est percé de trous circulaires agencés périodiquement, qui servent de sites de capture des photons. La structure globale du dispositif induit une déviation de près de 90° de la lumière incidente normale à sa surface, lui permettant de se propager latéralement dans le plan du silicium. Ces modes de propagation latérale augmentent la longueur du trajet de la lumière et la ralentissent efficacement, ce qui entraîne davantage d'interactions lumière-matière et donc une absorption accrue.
Les chercheurs ont également réalisé des simulations optiques et des analyses théoriques afin de mieux comprendre les effets des structures de capture de photons, et 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 est à 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 même celui de l'arséniure de gallium. De plus, bien que la conception proposée soit prévue 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 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 forte absorption peut être obtenue même dans des couches de silicium ultra-minces, et la capacité parasite du circuit peut être maintenue à un faible niveau, un point crucial pour les systèmes à haute vitesse. 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. Ceci pourrait, à son tour, ouvrir la voie à des avancées considérables dans les réseaux informatiques ultrarapides et les technologies d'imagerie à un coût abordable.
Date de publication : 12 novembre 2024