بحث جديد حول كاشف ضوئي فائق الرقة من نوع InGaAs

بحث جديد حول الرقاقات الفائقةكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد
لقد أسهم التقدم في تقنية التصوير بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR) إسهامًا كبيرًا في أنظمة الرؤية الليلية، والتفتيش الصناعي، والبحث العلمي، والحماية الأمنية، وغيرها من المجالات. ومع تزايد الطلب على الكشف خارج نطاق الضوء المرئي، يتزايد أيضًا تطوير مستشعرات الصور بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة. ومع ذلك، لا يزال تحقيق دقة عالية وضوضاء منخفضة أمرًا صعبًا.كاشف ضوئي واسع الطيفلا تزال تواجه العديد من التحديات التقنية. فعلى الرغم من أن كاشفات الأشعة تحت الحمراء التقليدية المصنوعة من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) ذات الموجات القصيرة تُظهر كفاءة تحويل كهروضوئي ممتازة وحركية حاملات شحنة عالية، إلا أن هناك تناقضًا جوهريًا بين مؤشرات أدائها الرئيسية وبنية الجهاز. وللحصول على كفاءة كمية أعلى، تتطلب التصاميم التقليدية طبقة امتصاص بسمك 3 ميكرومترات أو أكثر، وهذا التصميم الهيكلي يُسبب مشاكل عديدة.
لتقليل سمك طبقة الامتصاص (TAL) في الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة InGaAsكاشف ضوئييُعدّ تعويض انخفاض الامتصاص عند الأطوال الموجية الطويلة أمرًا بالغ الأهمية، لا سيما عندما يؤدي سُمك طبقة الامتصاص الصغيرة إلى عدم كفاية الامتصاص في نطاق الأطوال الموجية الطويلة. يوضح الشكل 1أ طريقة تعويض سُمك طبقة الامتصاص الصغيرة عن طريق تمديد مسار الامتصاص البصري. تُحسّن هذه الدراسة الكفاءة الكمية (QE) في نطاق الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة من خلال إدخال بنية رنين الوضع الموجه (GMR) القائمة على TiOx/Au على الجانب الخلفي للجهاز.

بالمقارنة مع هياكل الانعكاس المعدنية المستوية التقليدية، يُمكن لهيكل الرنين ذي النمط الموجه توليد تأثيرات امتصاص رنين متعددة، مما يُحسّن بشكل ملحوظ كفاءة امتصاص الضوء ذي الأطوال الموجية الطويلة. وقد قام الباحثون بتحسين تصميم المعلمات الرئيسية لهيكل الرنين ذي النمط الموجه، بما في ذلك الدورة، وتركيب المادة، ومعامل التعبئة، من خلال طريقة تحليل الموجات المقترنة الدقيقة (RCWA). ونتيجة لذلك، لا يزال هذا الجهاز يحافظ على امتصاص فعال في نطاق الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة. ومن خلال الاستفادة من مزايا مواد InGaAs، استكشف الباحثون أيضًا الاستجابة الطيفية اعتمادًا على بنية الركيزة. ومن المتوقع أن يصاحب انخفاض سمك طبقة الامتصاص انخفاض في كفاءة الكم الخارجية (EQE).
في الختام، نجح هذا البحث في تطوير كاشف InGaAs بسماكة 0.98 ميكرومتر فقط، أي أقل بأكثر من 2.5 مرة من الكاشفات التقليدية. وفي الوقت نفسه، يحافظ على كفاءة كمية تتجاوز 70% في نطاق الأطوال الموجية من 400 إلى 1700 نانومتر. يُوفر هذا الإنجاز الرائد في مجال كاشف InGaAs فائق الرقة مسارًا تقنيًا جديدًا لتطوير مستشعرات صور واسعة الطيف عالية الدقة ومنخفضة التشويش. ومن المتوقع أن يُساهم زمن نقل الشحنات السريع، الذي يوفره تصميم البنية فائقة الرقة، في تقليل التشويش الكهربائي بشكل ملحوظ وتحسين خصائص استجابة الجهاز. كما أن بنية الجهاز المُصغّرة أكثر ملاءمة لتقنية التكامل ثلاثي الأبعاد على شريحة واحدة، مما يُرسي الأساس لتحقيق مصفوفات بكسل عالية الكثافة.