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 de l’optoélectronique dans les circuits conventionnels et conduisant à des réseaux informatiques plus rapides et plus abordables et à des avancées technologiques d’imagerie.
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 prennent rapidement de l’ampleur 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.
Traditionnellement, le silicium (Si) a été le semi-conducteur dominant dans l’industrie électronique. En conséquence, la majorité de l’industrie a évolué autour de ce matériau. Cependant, Si a un coefficient d’absorption de la lumière relativement faible dans le spectre proche infrarouge (NIR) par rapport aux autres semi-conducteurs comme 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 procédés traditionnels 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 micro et nanométriques piégeant les photons dans le silicium (Si) font normalement plier la lumière incidente de près de 90°, ce qui la fait se propager latéralement le long du plan et conduit 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
Nouvelle approche de la conception de photodétecteurs
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 des couches minces de Si. Leur dernier article, publié dans la revue Nexus photonique avancé, présente la première démonstration expérimentale de photodétecteurs à base de silicium avec des 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.
Les photodétecteurs proposés consistent en une plaque de Si cylindrique d’une épaisseur micrométrique placée sur un substrat isolant, avec des « doigts » métalliques s’étendant des métaux de contact au sommet de la plaque de manière interdigitée. Il est important de noter que la masse Si est remplie de trous circulaires disposés selon un motif périodique qui agissent comme photon-sites de piégeage. La structure globale de l’appareil provoque normalement une courbure de la lumière incidente 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, ce qui entraîne une plus grande interaction lumière-matière et une augmentation conséquente de l’absorption.
Analyse et constatations
Les chercheurs ont également effectué des simulations optiques et des analyses théoriques pour mieux comprendre les effets des structures de piégeage des photons, et ont réalisé plusieurs expériences comparant les photodétecteurs avec et sans eux. Ils ont découvert que le piégeage des photons entraînait une augmentation remarquable de l’efficacité d’absorption sur une large bande du spectre NIR, restant au-dessus de 68 % et culminant à 86 %.
Notamment, le coefficient d’absorption observé du photodétecteur à piégeage de photons était plusieurs fois supérieur à celui du Si ordinaire et dépassait celui du GaAs dans la bande NIR. De plus, bien que la conception proposée concernait une dalle de Si de 1 μm d’épaisseur, les simulations de couches minces de Si de 30 et 100 nm compatibles avec l’électronique CMOS ont montré des performances améliorées de la même manière.
Conclusion et implications futures
Dans l’ensemble, les résultats de cette étude illustrent une stratégie prometteuse pour améliorer les performances des photodétecteurs à base de silicium pour les applications photoniques à venir. En atteignant une absorption élevée même dans des couches de Si ultra-minces, la capacité parasite du circuit peut rester faible, un facteur critique dans les systèmes à grande vitesse. De plus, la méthode proposée s’aligne sur les processus de fabrication CMOS modernes, révolutionnant potentiellement la manière dont l’optoélectronique est intégrée dans les circuits conventionnels. Cela pourrait éventuellement conduire à des réseaux informatiques ultra-rapides abordables et à des progrès substantiels dans la technologie d’imagerie.
