تقنية جديدة لكاشف ضوئي من السيليكون الرقيق

تكنولوجيا جديدة منكاشف ضوئي من السيليكون الرقيق
تُستخدم هياكل التقاط الفوتون لتعزيز امتصاص الضوء في النحافةكاشفات ضوئية من السيليكون
تكتسب الأنظمة الضوئية قوة جذب سريعة في العديد من التطبيقات الناشئة، بما في ذلك الاتصالات البصرية، واستشعار الليدار، والتصوير الطبي. ومع ذلك، فإن اعتماد الضوئيات على نطاق واسع في الحلول الهندسية المستقبلية يعتمد على تكلفة التصنيعأجهزة الكشف الضوئيوالذي بدوره يعتمد إلى حد كبير على نوع أشباه الموصلات المستخدمة لهذا الغرض.
تقليديًا، كان السيليكون (Si) هو أشباه الموصلات الأكثر انتشارًا في صناعة الإلكترونيات، لدرجة أن معظم الصناعات نضجت حول هذه المادة. لسوء الحظ، يمتلك Si معامل امتصاص ضوء ضعيف نسبيًا في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) مقارنة بأشباه الموصلات الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs). ولهذا السبب، تزدهر GaAs والسبائك ذات الصلة في التطبيقات الضوئية ولكنها غير متوافقة مع عمليات أشباه الموصلات التقليدية لأكسيد الفلز (CMOS) المستخدمة في إنتاج معظم الإلكترونيات. وأدى ذلك إلى زيادة حادة في تكاليف التصنيع.
ابتكر الباحثون طريقة لتعزيز امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة في السيليكون بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى خفض تكلفة الأجهزة الضوئية عالية الأداء، ويقود فريق بحث من جامعة كاليفورنيا في ديفيس استراتيجية جديدة لتحسين امتصاص الضوء بشكل كبير في أغشية السيليكون الرقيقة. في أحدث ورقتهم البحثية في Advanced Photonics Nexus، أظهروا لأول مرة عرضًا تجريبيًا لكاشف ضوئي قائم على السيليكون مع هياكل سطحية دقيقة ومتناهية الصغر تلتقط الضوء، مما يحقق تحسينات غير مسبوقة في الأداء مقارنة بـ GaAs وأشباه الموصلات الأخرى من المجموعة III-V . يتكون الكاشف الضوئي من لوحة سيليكون أسطوانية بسماكة ميكرون موضوعة على ركيزة عازلة، مع "أصابع" معدنية تمتد بطريقة شوكة الإصبع من المعدن الملامس في الجزء العلوي من اللوحة. والأهم من ذلك، أن السيليكون المتكتل مملوء بثقوب دائرية مرتبة بنمط دوري تعمل كمواقع لالتقاط الفوتون. يتسبب الهيكل العام للجهاز في انحناء الضوء الساقط عادةً بنحو 90 درجة عند اصطدامه بالسطح، مما يسمح له بالانتشار أفقيًا على طول مستوى Si. تعمل أوضاع الانتشار الجانبي هذه على زيادة طول انتقال الضوء وإبطائه بشكل فعال، مما يؤدي إلى المزيد من تفاعلات الضوء والمادة وبالتالي زيادة الامتصاص.
أجرى الباحثون أيضًا عمليات محاكاة بصرية وتحليلات نظرية لفهم تأثيرات هياكل التقاط الفوتون بشكل أفضل، وأجروا عدة تجارب لمقارنة أجهزة الكشف الضوئية بها وبدونها. ووجدوا أن التقاط الفوتون أدى إلى تحسن كبير في كفاءة امتصاص النطاق العريض في طيف NIR، حيث ظل أعلى من 68% مع ذروة قدرها 86%. تجدر الإشارة إلى أنه في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، يكون معامل الامتصاص للكاشف الضوئي لالتقاط الفوتون أعلى بعدة مرات من معامل امتصاص السيليكون العادي، ويتجاوز زرنيخيد الغاليوم. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من أن التصميم المقترح مخصص لألواح السيليكون بسمك 1 ميكرومتر، فإن محاكاة أفلام السيليكون 30 نانومتر و100 نانومتر المتوافقة مع إلكترونيات CMOS تظهر أداءً محسنًا مماثلاً.
بشكل عام، تُظهر نتائج هذه الدراسة استراتيجية واعدة لتحسين أداء أجهزة الكشف الضوئية المعتمدة على السيليكون في تطبيقات الضوئيات الناشئة. يمكن تحقيق امتصاص عالٍ حتى في طبقات السيليكون الرقيقة جدًا، 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 الإلكترونيات الضوئية في الدوائر التقليدية. وهذا بدوره يمكن أن يمهد الطريق لتحقيق قفزات كبيرة في شبكات الكمبيوتر فائقة السرعة وتكنولوجيا التصوير بأسعار معقولة.