Forscher der University of Toronto unter der Leitung von Dr. Amr S. Helmy haben eine neue Methode zur Integration elektrooptischer SiO2/ITO-Heteroschnittstellen in Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen (MIS) entwickelt. Es wird erwartet, dass dieser Durchbruch zur Entwicklung effizienterer und kompakterer photonischer Geräte führen wird.
„Unser Ansatz läutet die Entwicklung von CMOS-kompatiblen plasmonischen Wellenleitermodulatoren ein“, sagte Dr. Nasir Alfaraj, der Hauptautor der Studie und KAUST Ibn Rush Postdoctoral Fellow an der University of Toronto. „Dies wird tiefgreifende Auswirkungen auf eine Vielzahl von Anwendungen haben, darunter Telekommunikation, Datenspeicherung und medizinische Bildgebung.“
Bei der neuartigen Methode wird eine dünne Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) auf ITO aufgebracht. Dadurch entsteht eine Heteroschnittstelle, die einen erheblichen Lichteinschluss und eine elektrooptische Modulation ermöglicht.
„Die SiO2/ITO-Heteroschnittstelle ist zusammen mit der Integration eines Schottky-Al/SiO2-Übergangs und eines MIS-Stapels eine Schlüsselkomponente unseres optischen Wellenleitergeräts“, erklärte Dr. Helmy, der Hauptforscher dieser Studie. „Es ermöglicht uns, die optischen Eigenschaften der ITO-Schicht mithilfe eines elektrischen Felds einzustellen.“
In ihrem Papier veröffentlicht in Licht: Fortschrittliche FertigungForscher des Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical & Computer Engineering an der University of Toronto demonstrierten die Wirksamkeit ihrer neuen Methode durch die Herstellung von zwei MIS-Geräten. Das erste Gerät nutzte eine SiO2/ITO-Heterostruktur, die auf dünnem polykristallinem Titannitrid (Poly-TiN) gewachsen war und auf der ITO-Seite mit einer dünnen Kontaktelektrode aus Aluminium (Al) abgedeckt war. Das zweite Gerät ist ein optischer Wellenleiter mit einer halbleitenden ITO-Schicht und einem dielektrischen SiO2-Abstandhalter, der auf einer Silizium-auf-Isolator-Plattform (SOI) implementiert ist.
Dr. Charles Chih-Chin Lin, einer der Co-Autoren der Studie, kommentierte: „Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Plasmonik dar. Wir glauben, dass sie das Potenzial hat, die Art und Weise, wie wir photonische Geräte entwerfen und herstellen, zu revolutionieren.“
Dr. Swati Rajput, ein weiterer Co-Autor der Studie, fügte hinzu: „Die Entwicklung von CMOS-kompatiblen plasmonischen Wellenleitern ist ein entscheidender Schritt zur Verwirklichung der nächsten Generation optischer Geräte. Unsere Forschung bietet einen vielversprechenden Weg zur Erreichung dieses Ziels.“
Sherif Nasif, ein dritter Co-Autor der Studie, bemerkte: „Wir sind begeistert von den möglichen Anwendungen dieser Technologie. Wir stellen uns eine Zukunft vor, in der plasmonische Wellenleiter eine zentrale Rolle in einer Vielzahl von Branchen spielen, darunter Telekommunikation, Gesundheitswesen, und Fertigung.“
Die neue Methode des Forschers meistert die Herausforderung, plasmonische Strukturen mithilfe von SiO2/ITO-Heteroschnittstellen in die CMOS-Technologie zu integrieren. ITO ist ein transparentes leitfähiges Oxid, das mit der CMOS-Technologie kompatibel ist. SiO2 ist ein dielektrisches Material, das häufig in CMOS-Geräten verwendet wird. Die SiO2/ITO-Heteroschnittstelle stellt ein starkes elektrisches Feld bereit, das zur Modulation der Lichtausbreitung im plasmonischen Wellenleiter verwendet werden kann.
Beide Geräte zeigten eine hervorragende Leistung. Der lichtmodulierende Wellenleiter hatte ein Extinktionsverhältnis (ER) von mehr als 1 dB/µm und einen Einfügungsverlust (IL) von weniger als 0,13 dB/µm bei einer Wellenleiterlänge von 10 µm. Das zweite Gerät erreichte eine Amplituden-, Phasen- oder 4-Quadratur-Amplitudenmodulation.
Die Forschung des Teams ist ein bedeutender Fortschritt bei der Entwicklung CMOS-kompatibler plasmonischer Wellenleiter. Ihre neue Methode wird plasmonische Wellenleiter möglicherweise für eine Vielzahl von Anwendungen praktischer machen.
„Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von SiO2/ITO-Heteroschnittstellen für die CMOS-kompatible plasmonische Wellenleitermodulation“, sagte Dr. Alfaraj. „Wir glauben, dass diese Technologie zur Entwicklung einer neuen Generation photonischer Geräte genutzt werden könnte.“
„Wir sind vom Potenzial dieser neuen Technologie sehr begeistert“, sagte Dr. Helmy.
Mehr Informationen:
Nasir Alfaraj et al., Einfache Integration elektrooptischer SiO2/ITO-Heteroschnittstellen in MIS-Strukturen für CMOS-kompatible plasmonische Wellenleitermodulation, Licht: Fortschrittliche Fertigung (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.038