利用光子捕获表面结构在硅中实现高于 III-V 族半导体的光吸收
光学
2023-06-09 v1 应用物理
摘要
硅的光敏性在可见电磁频谱内固有地非常低，并且在近红外波长超过 800 nm 后迅速下降。在此，我们通过实验演示了一种利用光子捕获表面结构的技术，展示了在一微米厚硅中光吸收的巨大提升，在宽谱上超越了砷化镓的固有吸收效率。光子捕获结构使正入射光弯曲近九十度，转变为沿硅平面横向传播的模式。因此，光的传播长度增加，使光电探测器中的吸收效率提升超过一个数量级。这一高吸收现象由 FDTD 分析解释，其中我们展示了相比于无光子捕获结构的硅，光子态密度增强的同时光的光学群速度大幅降低，从而导致光与物质相互作用显著增强。我们的模拟还预测了采用 30 和 100 纳米硅薄膜设计的光电探测器吸收效率的提升，这些薄膜与 CMOS 电子器件兼容。尽管吸收层非常薄，此类光子捕获结构仍可实现超快计算机网络、数据通信和成像系统中所需的高效高速光电探测器，并有望革新片上逻辑与光电子集成。
引用
@article{arxiv.2306.05170,
title = {Achieving higher photoabsorption than group III-V semiconductors in silicon using photon-trapping surface structures},
author = {Wayesh Qarony and Ahmed S. Mayet and Ekaterina Ponizovskaya Devine and Soroush Ghandiparsi and Cesar Bartolo-Perez and Ahasan Ahamed and Amita Rawat and Hasina H. Mamtaz and Toshishige Yamada and Shih-Yuan Wang and M. Saif Islam},
journal= {arXiv preprint arXiv:2306.05170},
year = {2023}
}
备注
24 pages, 4 figures