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Jul 14, 2023

未来を照らす: シリコン光検出器の光吸収の強化

By SPIEA2023年8月11日 カリフォルニア大学デービス校の研究者らは、シリコンベースの光検出器の性能を向上させる新しいアプローチを開発し、オプトエレクトロニクスの統合に革命を起こす可能性がある。

SPIEA 2023 年 8 月 11 日

カリフォルニア大学デービス校の研究者は、シリコンベースの光検出器の性能を向上させる新しいアプローチを開発しました。これにより、従来の回路へのオプトエレクトロニクスの統合に革命が起こり、より高速でより手頃な価格のコンピュータネットワークとイメージング技術の進歩につながる可能性があります。

研究者らは、シリコンの近赤外線吸収を大幅に強化するアプローチを考案し、これにより手頃な価格の高性能フォトニックデバイスが実現できる可能性がある。

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、数多くの新興アプリケーションで急速に勢いを増しています。 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一般に受け入れられるかどうかは、光検出器の製造コストに大きく依存し、そのコストは使用される半導体の種類によって主に決まります。

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"}]">ガリウムヒ素（GaAs）などの半導体。 このため、GaAs および類似の合金はフォトニック用途ではより効果的ですが、エレクトロニクス製造の大部分で使用される従来の相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) プロセスとは適合しません。 この非互換性は、製造コストの大幅な増加につながります。

シリコン (Si) 内の光子を捕捉するマイクロおよびナノサイズの穴により、垂直入射光がほぼ 90° 曲げられ、面に沿って横方向に伝播し、その結果、NIR 帯域での光吸収が増加します。 クレジット: Qarony、Mayet、他、doi 10.1117/1.APN.2.5.056001

この問題に対応して、カリフォルニア大学デービス校の研究チームは、Si 薄膜の光吸収を劇的に強化する新しい戦略を開発しています。 最新の論文は、学術雑誌「Advanced Photonics Nexus」に掲載されており、光を捕捉するマイクロおよびナノ表面構造を備えた Si ベースの光検出器の最初の実験的実証を示しています。 このアプローチにより、GaAs や他の III-V 族半導体に匹敵する性能の向上が達成されました。

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"}]">光子捕獲サイト。 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ほぼ 90° 曲がり、Si 面に沿って横方向に進みます。 これらの横方向伝播モードは光の伝播長を増加させ、事実上光の速度を低下させ、光と物質の相互作用が増加し、その結果として吸収が増加します。