טכנולוגיה חדשה של photodetector סיליקון דק

טכנולוגיה חדשה שלPhotodetector סיליקון דק
מבנים לכידת פוטון משמשים כדי לשפר את ספיגת האור בדקיםגלאי צילום סיליקון
מערכות פוטוניות צוברות במהירות אחיזה ביישומים מתפתחים רבים, כולל תקשורת אופטית, חישת liDAR והדמיה רפואית. עם זאת, האימוץ הנרחב של פוטוניקה בפתרונות הנדסיים עתידיים תלוי בעלות הייצורגלאי צילום, אשר בתורו תלוי במידה רבה בסוג המוליך למחצה המשמש למטרה זו.
באופן מסורתי, סיליקון (Si) היה המוליך למחצה הקיים ביותר בתעשיית האלקטרוניקה, עד כדי כך שרוב התעשיות הבשילו סביב החומר הזה. לרוע המזל, ל-Si יש מקדם ספיגת אור חלש יחסית בספקטרום האינפרא אדום הקרוב (NIR) בהשוואה למוליכים למחצה אחרים כגון גליום ארסניד (GaAs). בשל כך, GaAs וסגסוגות קשורות משגשגות ביישומים פוטוניים אך אינם תואמים לתהליכים המסורתיים של מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת משלימים (CMOS) המשמשים בייצור רוב מוצרי האלקטרוניקה. זה הוביל לעלייה חדה בעלויות הייצור שלהם.
חוקרים המציאו דרך לשפר במידה ניכרת את הספיגה הקרובה לאינפרא אדום בסיליקון, מה שעלול להוביל להפחתת עלויות בהתקנים פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים, וצוות מחקר של UC Davis הוא חלוץ באסטרטגיה חדשה לשיפור ניכר בספיגת האור בסרטי סיליקון דקים. במאמר האחרון שלהם ב-Advanced Photonics Nexus, הם מדגימים לראשונה הדגמה ניסיונית של גלאי פוטו מבוסס סיליקון עם מבני מיקרו- וננו-משטח לוכדי אור, משיגים שיפורי ביצועים חסרי תקדים בהשוואה ל-GaAs ולמוליכים למחצה אחרים מקבוצת III-V . הפוטו-גלאי מורכב מצלחת סיליקון גלילית בעובי מיקרון המונחת על מצע מבודד, כאשר "אצבעות" מתכת נמשכות בצורה של אצבע-מזלג ממתכת המגע בחלק העליון של הצלחת. חשוב לציין, הסיליקון הגושי מלא בחורים עגולים המסודרים בתבנית תקופתית הפועלים כאתרי לכידת פוטון. המבנה הכולל של המכשיר גורם לאור הנובע בדרך כלל להתכופף בכמעט 90° כאשר הוא פוגע במשטח, ומאפשר לו להתפשט לרוחב לאורך מישור ה-Si. מצבי התפשטות רוחביים אלו מגדילים את אורך המסע של האור ומאטים אותו ביעילות, מה שמוביל ליותר אינטראקציות אור-חומר ובכך מוגברת הספיגה.
החוקרים גם ערכו הדמיות אופטיות וניתוחים תיאורטיים כדי להבין טוב יותר את ההשפעות של מבנים לכידת פוטון, וערכו מספר ניסויים שהשוו גלאי פוטו איתם ובלעדיהם. הם מצאו כי לכידת פוטון הובילה לשיפור משמעותי ביעילות קליטת הפס הרחב בספקטרום ה-NIR, ונשארה מעל 68% עם שיא של 86%. ראוי לציין כי בפס האינפרא אדום הקרוב, מקדם הספיגה של הפוטו-גלאי לכידת פוטון גבוה פי כמה מזה של סיליקון רגיל, העולה על גליום ארסניד. בנוסף, למרות שהתכנון המוצע הוא עבור לוחות סיליקון בעובי 1מיקרומטר, הדמיות של סרטי סיליקון של 30 ננומטר ו-100 ננומטר התואמים לאלקטרוניקה CMOS מציגות ביצועים משופרים דומים.
בסך הכל, התוצאות של מחקר זה מדגימות אסטרטגיה מבטיחה לשיפור הביצועים של גלאי פוטו מבוססי סיליקון ביישומי פוטוניקה מתעוררים. ניתן להשיג ספיגה גבוהה גם בשכבות סיליקון דקות במיוחד, וניתן לשמור על הקיבול הטפילי של המעגל נמוך, דבר שהוא קריטי במערכות מהירות. בנוסף, השיטה המוצעת תואמת לתהליכי ייצור מודרניים של CMOS ולכן יש לה פוטנציאל לחולל מהפכה באופן שבו משולבת האלקטרוניקה האופטו במעגלים מסורתיים. זה, בתורו, יכול לסלול את הדרך לזינוקים משמעותיים ברשתות מחשבים מהירות במיוחד וטכנולוגיית הדמיה.