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May 27, 2023

Illuminer l’avenir : absorption améliorée de la lumière dans les photodétecteurs au silicium

Par SPIE11 août 2023 Des chercheurs de l'UC Davis ont développé une nouvelle approche pour améliorer les performances des photodétecteurs à base de silicium, révolutionnant potentiellement l'intégration de l'optoélectronique dans

Par SPIE11 août 2023

Les chercheurs de l'UC Davis ont développé une nouvelle approche pour améliorer les performances des photodétecteurs à base de silicium, révolutionnant potentiellement l'intégration optoélectronique dans les circuits conventionnels et conduisant à des réseaux informatiques et à des avancées technologiques d'imagerie plus rapides et plus abordables.

Les chercheurs conçoivent une approche pour améliorer considérablement l’absorption du proche infrarouge dans le silicium, ce qui pourrait conduire à des dispositifs photoniques abordables et performants.

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'acceptation générale de la photonique dans les futures solutions d'ingénierie dépend fortement du coût de fabrication des photodétecteurs, qui est largement déterminé par le type de semi-conducteur utilisé.

Traditionally, silicon (Si) has been the dominant semiconductor in the electronics industry. As a result, the majority of the industry has evolved around this material. However, Si has a relatively low light absorption coefficient in the near-infrared (NIR) spectrum compared to other semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> des semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GaAs). Pour cette raison, le GaAs et les alliages similaires sont plus efficaces dans les applications photoniques, mais ils ne s'alignent pas sur les processus traditionnels de métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire (CMOS) utilisés dans la majorité de la production électronique. Cette incompatibilité entraîne une augmentation significative de leurs coûts de fabrication.

Les trous de taille micro et nanométrique dans le silicium (Si) piégeant les photons font plier la lumière normalement incidente de près de 90°, la faisant se propager latéralement le long du plan et conduisant par conséquent à une absorption accrue de la lumière dans la bande NIR. Crédit : Qarony, Mayet et al., doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

En réponse à ce problème, une équipe de recherche de l'UC Davis en Californie développe une nouvelle stratégie pour améliorer considérablement l'absorption de la lumière par des films minces de Si. Leur dernier article, publié dans la revue Advanced Photonics Nexus, présente la première démonstration expérimentale de photodétecteurs à base de Si dotés de structures micro et nano-surfaces piégeant la lumière. Cette approche a permis d'obtenir des améliorations de performances qui correspondent à celles du GaAs et d'autres semi-conducteurs du groupe III-V.

The proposed photodetectors consist of a micrometer-thick cylindrical Si slab placed over an insulating substrate, with metallic “fingers” extending from the contact metals atop the slab in an interdigitated fashion. Importantly, the bulk Si is filled with circular holes arranged in a periodic pattern that act as photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> sites de piégeage de photons. La structure globale du dispositif fait que la lumière normalement incidente se courbe de près de 90° lorsqu’elle frappe la surface, la faisant se déplacer latéralement le long du plan Si. Ces modes de propagation latérale augmentent la longueur de propagation de la lumière et la ralentissent efficacement, conduisant à davantage d’interactions lumière-matière et à une augmentation conséquente de l’absorption.