تقنية جديدة من كاشف السيليكون الرقيق

التكنولوجيا الجديدة منكاذبة السيليكون الرقيقة
يتم استخدام هياكل التقاط الفوتون لتعزيز امتصاص الضوء في رقيقةسيليكون الضوئيات الضوئية
تكتسب الأنظمة الضوئية بسرعة الجر في العديد من التطبيقات الناشئة ، بما في ذلك الاتصالات البصرية ، واستشعار Lidar ، والتصوير الطبي. ومع ذلك ، فإن التبني الواسع للضوئية في حلول الهندسة المستقبلية يعتمد على تكلفة التصنيعالكاكبات الضوئية، والذي بدوره يعتمد إلى حد كبير على نوع أشباه الموصلات المستخدم لهذا الغرض.
تقليديا ، كان السيليكون (SI) أكثر أشباه الموصلات في كل مكان في صناعة الإلكترونيات ، لدرجة أن معظم الصناعات قد نضجت حول هذه المادة. لسوء الحظ ، لدى SI معامل امتصاص الضوء ضعيف نسبيًا في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) مقارنة بأشباه الموصلات الأخرى مثل أرسينيد الغاليوم (GAAs). لهذا السبب ، فإن GAAs والسبائك ذات الصلة تزدهر في التطبيقات الضوئية ولكنها غير متوافقة مع عمليات أشباه الموصلات المعدنية التكميلية التقليدية (CMOS) المستخدمة في إنتاج معظم الإلكترونيات. هذا أدى إلى زيادة حادة في تكاليف التصنيع الخاصة بهم.
لقد ابتكر الباحثون وسيلة لتعزيز امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة في السيليكون ، مما قد يؤدي إلى تخفيضات في التكاليف في الأجهزة الضوئية عالية الأداء ، وفريق أبحاث UC Davis يروي استراتيجية جديدة لتحسين امتصاص الضوء بشكل كبير في الأفلام الرقيقة من السيليكون. في آخر ورقة في Nexus الفوتونيك المتقدمة ، يوضحون لأول مرة عرضًا تجريبيًا لبيئة ضوئية قائم على السيليكون مع هياكل صغيرة من السطح النانوي ، وتحقيق تحسينات غير مسبوقة مماثلة ل GAAs وغيرها من أشباه الموصلات II-V. يتكون الكاشف الضوئي من لوحة سيليكون أسطواني ميكرون موضوعة على ركيزة عازلة ، مع "أصابع" معدنية تمتد بطريقة تتصبع من المعدن التلامس في الجزء العلوي من اللوحة. الأهم من ذلك ، تمتلئ السيليكون الكتل بالثقوب الدائرية مرتبة في نمط دوري يعمل كمواقع التقاط الفوتون. يتسبب الهيكل العام للجهاز في أن ينحني ضوء الحادث عادةً بمقدار 90 درجة عندما يضرب السطح ، مما يسمح له بالانتشار بشكل جانبي على طول مستوى SI. تزيد أوضاع الانتشار الجانبية هذه من طول السفر للضوء وتؤدي إلى إبطاءها بشكل فعال ، مما يؤدي إلى المزيد من تفاعلات Matter للضوء وبالتالي زيادة الامتصاص.
أجرى الباحثون أيضًا عمليات محاكاة بصرية وتحليلات نظرية لفهم تأثيرات هياكل التقاط الفوتون بشكل أفضل ، وأجروا العديد من التجارب التي تقارن أجهزة الكشف الضوئية مع وبدونها. ووجدوا أن التقاط الفوتون أدى إلى تحسن كبير في كفاءة امتصاص النطاق العريض في طيف NIR ، مع البقاء أعلى من 68 ٪ مع ذروة 86 ٪. تجدر الإشارة إلى أنه في النطاق القريب من الأشعة تحت الحمراء ، يكون معامل امتصاص الكاشف الضوئي لالتقاط الفوتون أعلى عدة مرات من السيليكون العادي ، الذي يتجاوز أرسينيد الغاليوم. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن التصميم المقترح هو لألواح السيليكون السميكة 1μm ، إلا أن عمليات محاكاة من أفلام السيليكون التي تبلغ 30 نانومتر و 100 نانومتر متوافقة مع إلكترونيات CMOS تظهر أداءً مماثلًا معززًا.
بشكل عام ، تُظهر نتائج هذه الدراسة استراتيجية واعدة لتحسين أداء أجهزة الكشف الضوئية القائمة على السيليكون في تطبيقات الضوئية الناشئة. يمكن تحقيق امتصاص عالي حتى في طبقات السيليكون الرفيعة فائقة ، ويمكن الحفاظ على السعة الطفيلية للدائرة منخفضة ، وهو أمر بالغ الأهمية في الأنظمة عالية السرعة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الطريقة المقترحة متوافقة مع عمليات تصنيع CMOs الحديثة ، وبالتالي لديها القدرة على إحداث ثورة في طريقة دمج إلكترونيات البصرية في الدوائر التقليدية. هذا ، بدوره ، يمكن أن يمهد الطريق لقفزات كبيرة في شبكات الكمبيوتر فائقة السرعة وتكنولوجيا التصوير.