プラズモン強化2光子吸収による電気通信波長でのSiナノワイアフォトトランジスタ

光学導波路と相補的な金属酸化物 - 半導体（CMOS）トランジスタのオンチップ統合は、高速通信の次世代テクノロジーです。このような技術の進歩には、通信波長で動作する高性能の光検出器が必要です。ただし、シリコンは、バンドギャップが比較的大きいため、通信波長で光子を吸収しません。シリコンの上に高品質の小さなバンドギャップ半導体の栽培は、格子の不一致のために挑戦的です。すべてのシリコンフォトニックCMOSテクノロジーは魅力的なオプションです。ここでは、2光子吸収効果によって通信波長で動作する高性能シリコンフォトトランジスタを示します。シリコンを通信波長の光吸収材料に変えるために、洗練されたプラズモニックアンテナ構造を設計して、シリコンナノワイヤの光の強度を5桁増加させます。高光強度では、シリコンの光吸収は2光子吸収効果によって支配されています。生成された光電流は、Si Nanowireフォトトランジスターによってさらに増幅され、そのセクションはコアシェルPN接合部としてドープされています。シミュレーション結果は、デバイスが2.4×104 A/Wの応答性と300 GHzを超える3 dB帯域幅を達成できることを示しています。このようなデバイスの開発の成功は、次世代の高速通信技術にとって重要です。

The on-chip integration of optical waveguides with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors is the next generation technology for high-speed communications. The advance of such a technology requires a high-performance photodetector operating at communication wavelengths. However, silicon does not absorb photons at communication wavelengths because of its relatively large bandgap. Growing high quality small bandgap semiconductors on top of silicon is challenging due to lattice mismatch. An all silicon photonic CMOS technology is an attractive option. Here, we demonstrate a high-performance silicon phototransistor that operates at the communication wavelengths by two-photon absorption effect. To turn silicon into a light absorptive material at communication wavelengths, we have designed a sophisticated plasmonic antenna structure to increases the intensity of light in the silicon nanowire by 5 orders of magnitude. At the high light intensity, the light absorption in silicon is dominated by the two-photon absorption effect. The generated photocurrent is further amplified by the Si nanowire phototransistor, a section of which is doped to be a core-shell pn junction. Simulation results indicate that the device can achieve a responsivity of 2.4×104 A/W and a 3-dB bandwidth over 300 GHz. Successful development of such a device is important for the next generation high-speed communication technology.