Highly-doped silicon based photonic devices for mid-infrared light absorption

Elektromanyetik dalga soğurucuları orta-kızılötesi bölgede termal görüntüleme ve kızılötesi spektroskopi gibi önemli uygulamalara imkan sağlamaktadırlar. Soğurucu materyalin seçimi herhangi bir fotonik yapının kullanışlılığında çok önemli bir etkiye sahiptir. Bu zamana kadar, özellikle de metamalzemeli yapılarda, geleneksel metaller soğurucu materyal olarak kullanılmışlardır. Fakat, bu metallerin bir çoğu atmosferle veya su ile tepkimeye girmekte ve bu da onların birçok uygulamada kullanımını sınırlandırmaktadır. Bu metallerin dışında soğurucu özelliklere sahip birçok materyal bulunmakta ve bu materyaller performans, tasarım esnekliği, üretim, entegrasyon ve tonlanabilirlik açısından avantaj sağlamaktadır. Biz burada, yüksek düzeyde doplanmış silikonu orta-kızılötesi bölgede soğurucu bir materyal olarak inceledik. Soğurma, silikon içerisindeki serbest taşıyıcılar ile sağlanmakta ve silikonun içerisindeki taşıyıcı yoğunluğu değiştirilerek kontrol edilebilmektedir. Rezonant soğurucuların çoğu dar işletim dalgabandına sahiptir. Çoklu rezonans merkezlerinin aynı anda kullanılması band genişliğini artırmanın yaygın yöntemidir. Ancak, aynı birim yapıdaki rezonatör sayısı sınırlıdır. Biz burada soğurma veriminden taviz vermeden yüksek derecede doplanmış silikon tabanlı, şekillendirilmiş yalıtkan üzerinde silikon alttaş kullanarak, ultra geniş bantlı bir soğurucu önerdik. Geniş bantlı soğurma özelliği kütle (bulk) soğurma, vibrasyonel ve plazmonik soğurmanın birleşiminden gelmektedir. Biz ayrıca bu çalışmaya ek olarak siyah silikon kavramını orta-kızılötesi ışık için inceledik. Bu yapılar ile de geniş bantlı ve yüksek performanslı soğurucular elde ettik. Elektromanyetik dalganın bu yapı ile etkileşimini analitik olarak açıkladık ve deneysel ve simulasyon sonuçları ile karşılaştırdık. Biyo-kimyasal ve kırılma endeksi sensörleri ile seçici termal yayıcılar ve dedektörler gibi bazı uygulamalar ise dar bir soğurma bandı gerektirirler. Plazmonik soğurucular genelde dar soğurma bandına sahiptirler ve bu yüzden yüksek derecede hassas algılama düzeneklerinde kullanılabilirler. Bu uygulamalarda geleneksel metaller yaygın olarak kullanılırlar. Fakat, üretimdeki zorluklarının yanında metaller orta-kızılötesi bölgede çok negatif bir elektriksel geçirgenliğe sahiptir bu yüzden metallerin plazmonik mod toplanması zorlaşmaktadır. Bu bölgede yüksek derecede doplanmış silikon, uygun plazma frekansından dolayı, gelecek vaad eden bir materyaldir. Biz burada yüksek derecede doplanmış silikon kullanarak yüksek verimlilikte bir plazmonik soğurucu tasarladık ve bu soğurucuyu kırılma endeksi sensörü olarak inceledik.