טכנולוגיה חדשה של גלאי פוטו סיליקון דק

טכנולוגיה חדשה שלגלאי פוטו סיליקון דק
מבני לכידת פוטונים משמשים לשיפור בליעת אור בשכבות דקותגלאי פוטו סיליקון
מערכות פוטוניות צוברות תאוצה במהירות ביישומים מתפתחים רבים, כולל תקשורת אופטית, חישת LiDAR והדמיה רפואית. עם זאת, אימוץ נרחב של פוטוניקה בפתרונות הנדסיים עתידיים תלוי בעלות הייצור.גלאי צילום, אשר בתורו תלוי במידה רבה בסוג המוליך למחצה המשמש למטרה זו.
באופן מסורתי, סיליקון (Si) היה מוליך למחצה הנפוץ ביותר בתעשיית האלקטרוניקה, עד כדי כך שרוב התעשיות התבגרו סביב חומר זה. לרוע המזל, לסיליקון מקדם ספיגת אור חלש יחסית בספקטרום האינפרא אדום הקרוב (NIR) בהשוואה למוליכים למחצה אחרים כמו גליום ארסניד (GaAs). מסיבה זו, GaAs וסגסוגות קשורות משגשגות ביישומים פוטוניים אך אינן תואמות לתהליכים המסורתיים של מוליכים למחצה תחמוצת מתכת משלימים (CMOS) המשמשים בייצור רוב מוצרי האלקטרוניקה. מצב זה הוביל לעלייה חדה בעלויות הייצור שלהם.
חוקרים פיתחו דרך לשפר משמעותית את בליעת האינפרא אדום הקרוב בסיליקון, מה שעשוי להוביל להפחתת עלויות במכשירים פוטוניים בעלי ביצועים גבוהים, וצוות מחקר מאוניברסיטת קליפורניה בדייוויס חלוץ באסטרטגיה חדשה לשיפור משמעותי של בליעת האור בשכבות דקות של סיליקון. במאמרם האחרון ב-Advanced Photonics Nexus, הם מדגימים לראשונה הדגמה ניסיונית של גלאי פוטו מבוסס סיליקון עם מבני מיקרו-ננו-משטח לוכדי אור, ומשיגים שיפורי ביצועים חסרי תקדים בהשוואה ל-GaAs ולמוליכים למחצה אחרים מקבוצת III-V. גלאי הפוטו מורכב מלוח סיליקון גלילי בעובי מיקרון המונח על מצע מבודד, עם "אצבעות" מתכתיות המשתרעות בצורת מזלג ממתכת המגע בחלק העליון של הלוח. חשוב לציין, הסיליקון הגבשושי מלא בחורים עגולים המסודרים בתבנית מחזורית הפועלים כאתרי לכידת פוטונים. המבנה הכללי של המכשיר גורם לאור הפוגע בדרך כלל להתכופף כמעט ב-90 מעלות כאשר הוא פוגע במשטח, מה שמאפשר לו להתפשט לרוחב לאורך מישור ה-Si. אופני התפשטות רוחביים אלה מגדילים את אורך מסע האור ומאטים אותו ביעילות, מה שמוביל ליותר אינטראקציות בין אור לחומר וכך לעלייה בבליעה.
החוקרים גם ביצעו סימולציות אופטיות וניתוחים תיאורטיים כדי להבין טוב יותר את השפעות מבני לכידת פוטונים, וערכו מספר ניסויים שהשוו גלאי פוטו עם ובלי גלאי פוטו. הם מצאו כי לכידת פוטונים הובילה לשיפור משמעותי ביעילות ספיגת פס רחב בספקטרום NIR, ונשארה מעל 68% עם שיא של 86%. ראוי לציין כי בתחום האינפרא אדום הקרוב, מקדם הבליעה של גלאי הפוטו לכידת הפוטונים גבוה פי כמה מזה של סיליקון רגיל, ועולה על גליום ארסניד. בנוסף, למרות שהתכנון המוצע מיועד ללוחות סיליקון בעובי 1 מיקרון, סימולציות של סרטי סיליקון של 30 ננומטר ו-100 ננומטר התואמים לאלקטרוניקה של CMOS מראות ביצועים משופרים דומים.
בסך הכל, תוצאות מחקר זה מדגימות אסטרטגיה מבטיחה לשיפור ביצועי גלאי פוטו מבוססי סיליקון ביישומי פוטוניקה מתפתחים. ניתן להשיג ספיגה גבוהה אפילו בשכבות סיליקון דקות במיוחד, וניתן לשמור על קיבול טפילי נמוך של המעגל, דבר קריטי במערכות במהירות גבוהה. בנוסף, השיטה המוצעת תואמת לתהליכי ייצור CMOS מודרניים ולכן יש לה פוטנציאל לחולל מהפכה באופן שבו אופטואלקטרוניקה משולבת במעגלים מסורתיים. דבר זה, בתורו, יכול לסלול את הדרך לקפיצות משמעותיות ברשתות מחשבים אולטרה-מהירות ובטכנולוגיית הדמיה במחירים נוחים.