تكنولوجيا جديدة لكاشف ضوئي من السيليكون الرقيق

تكنولوجيا جديدةكاشف ضوئي من السيليكون الرقيق
يتم استخدام هياكل التقاط الفوتون لتعزيز امتصاص الضوء في المواد الرقيقةكاشفات ضوئية من السيليكون
تكتسب الأنظمة الفوتونية زخمًا متزايدًا في العديد من التطبيقات الناشئة، بما في ذلك الاتصالات البصرية، واستشعار الليدار، والتصوير الطبي. ومع ذلك، فإن انتشار استخدام الفوتونيات في الحلول الهندسية المستقبلية يعتمد على تكلفة التصنيع.أجهزة الكشف الضوئي، والذي بدوره يعتمد إلى حد كبير على نوع أشباه الموصلات المستخدمة لهذا الغرض.
تقليديًا، كان السيليكون (Si) أشباه الموصلات الأكثر انتشارًا في صناعة الإلكترونيات، لدرجة أن معظم الصناعات قد تطورت حول هذه المادة. للأسف، يتميز السيليكون بمعامل امتصاص ضعيف نسبيًا للضوء في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) مقارنةً بأشباه الموصلات الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs). لهذا السبب، يزدهر استخدام زرنيخيد الغاليوم والسبائك ذات الصلة في التطبيقات الفوتونية، ولكنها غير متوافقة مع عمليات أشباه الموصلات المعدنية المكملة (CMOS) التقليدية المستخدمة في إنتاج معظم الإلكترونيات. وقد أدى ذلك إلى زيادة حادة في تكاليف تصنيعها.
ابتكر باحثون طريقةً لتعزيز امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة في السيليكون بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى خفض تكاليف الأجهزة الفوتونية عالية الأداء. ويبتكر فريق بحثي من جامعة كاليفورنيا، ديفيس، استراتيجيةً جديدةً لتحسين امتصاص الضوء بشكل كبير في أغشية السيليكون الرقيقة. في أحدث ورقتهم البحثية المنشورة في مجلة Advanced Photonics Nexus، يُظهر الباحثون لأول مرة عرضًا تجريبيًا لكاشف ضوئي قائم على السيليكون بهياكل سطحية دقيقة ونانوية لالتقاط الضوء، محققين بذلك تحسينات غير مسبوقة في الأداء تُضاهي تلك التي تُضاهي زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وأشباه موصلات المجموعة III-V الأخرى. يتكون الكاشف الضوئي من صفيحة سيليكون أسطوانية بسُمك ميكرون موضوعة على ركيزة عازلة، وتمتد "أصابع" معدنية على شكل شوكة من المعدن المُلامس في أعلى الصفيحة. والأهم من ذلك، أن السيليكون المُتكتل مليء بثقوب دائرية مُرتبة بنمط دوري تعمل كمواقع لالتقاط الفوتونات. يُسبب الهيكل العام للجهاز انحناء الضوء الساقط طبيعيًا بزاوية 90 درجة تقريبًا عند اصطدامه بالسطح، مما يسمح له بالانتشار أفقيًا على طول مستوى السيليكون. تعمل أنماط الانتشار الجانبية هذه على زيادة طول مسار الضوء وإبطائه بشكل فعال، مما يؤدي إلى المزيد من التفاعلات بين الضوء والمادة وبالتالي زيادة الامتصاص.
أجرى الباحثون أيضًا محاكاة بصرية وتحليلات نظرية لفهم تأثيرات هياكل التقاط الفوتونات بشكل أفضل، وأجروا عدة تجارب لمقارنة أجهزة الكشف الضوئية المزودة بها وغير المزودة بها. ووجدوا أن التقاط الفوتونات أدى إلى تحسن ملحوظ في كفاءة الامتصاص عريض النطاق في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، حيث تجاوزت 68% وبلغت ذروتها 86%. تجدر الإشارة إلى أنه في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، يكون معامل الامتصاص لجهاز الكشف الضوئي لالتقاط الفوتونات أعلى بعدة مرات من معامل السيليكون العادي، متجاوزًا زرنيخيد الغاليوم. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن التصميم المقترح مخصص لألواح سيليكون بسمك ميكرومتر واحد، إلا أن محاكاة أغشية السيليكون بسمك 30 نانومتر و100 نانومتر المتوافقة مع إلكترونيات CMOS تُظهر أداءً مُحسّنًا مماثلًا.
بشكل عام، تُظهر نتائج هذه الدراسة استراتيجيةً واعدةً لتحسين أداء كواشف الضوء القائمة على السيليكون في تطبيقات الفوتونيات الناشئة. يُمكن تحقيق امتصاص عالٍ حتى في طبقات السيليكون فائقة الرقة، كما يُمكن الحفاظ على السعة الطفيلية للدائرة منخفضة، وهو أمرٌ بالغ الأهمية في الأنظمة عالية السرعة. إضافةً إلى ذلك، تتوافق الطريقة المقترحة مع عمليات تصنيع CMOS الحديثة، وبالتالي لديها القدرة على إحداث ثورة في طريقة دمج الإلكترونيات الضوئية في الدوائر التقليدية. وهذا بدوره قد يُمهد الطريق لقفزاتٍ نوعية في شبكات الحاسوب فائقة السرعة وبأسعارٍ معقولة وتقنيات التصوير.