Enhanced Near-Infrared Sensitivity and Extended Detection Wavelength in Silicon Phototransistors Using a Backside Aluminum Reflector

يعد السيليكون هو العامل المجهول الذي يعمل بصمت في العالم الحديث، حيث يشكل العمود الفقري لأجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية في جيوبنا. إنه مادة تحب توصيل الكهرباء عندما نريد ذلك، لكن لديها قيد محدد عندما يتعلق الأمر بالضوء. فالسيليكون ممتاز في التقاط الضوء المرئي والضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء الذي يقع خلف الحافة الحمراء لما تراه أعيننا مباشرة. ومع ذلك، كلما طالت الموجات الضوئية وتحركت بشكل أعمق في طيف الأشعة تحت الحمراء، يصبح السيليكون شفافاً بشكل متزايد. فبدلاً من امتصاص هذه الموجات الأطول لإنشاء إشارة كهربائية، يمر الضوء ببساطة عبر المادة، مثل ضوء الشمس عبر نافذة شفافة. هذا الحاجز الفيزيائي منع لفترة طويلة مستشعرات السيليكون من رؤية الطيف الكامل للأشعة تحت الحمراء، مما أجبر المهندسين على استخدام مواد أكثر تكلفة وتعقيداً للتطبيقات التي تتطلب اكتشاف هذه الإشارات الضعيفة ذات الأطوال الموجية الطويلة.

لقد وجد باحثون في جامعة تشونغبوك الوطنية في كوريا الجنوبية طريقة للتغلب على هذه الشفافية دون تغيير السيليكون نفسه أو استخدام مواد جديدة غريبة. لقد ركزوا على تعديل بسيط وذكي لظهر ترانزستور ضوئي سيليكوني قياسي، وهو جهاز يحول الضوء إلى تيار كهربائي. ومن خلال إضافة طبقة رقيقة من الألمنيوم إلى الجزء الخلفي من شريحة السيليكون، صنعوا مرآة تعكس الضوء وتوجهه مرة أخرى إلى المادة. سمح هذا الإضافة الوحيدة للجهاز باكتشاف الضوء عند أطوال موجية تصل إلى 1300 نانومتر، وهو نطاق يكون فيه السيليكون عادةً يسمح للضوء بالهروب. والنتيجة هي مستشعر ليس فقط قادراً على رؤية أعماق أكبر في الأشعة تحت الحمراء، بل هو أيضاً أكثر حساسية وهدوءاً بشكل ملحوظ من سابقيه، وكل ذلك مع بقائه متوافقاً مع عمليات التصنيع القياسية المستخدمة لصنع الرقائق داخل إلكترونياتنا اليومية.

بدأ الفريق بشريحة سيليكون قياسية، وهي شريحة رقيقة من المادة المستخدمة لبناء الدوائر الإلكترونية. قاموا ببناء ترانزستور ضوئي على هذه الشريحة، وهو جهاز مصمم لتوليد تيار عندما يسقط الضوء عليه. في الإعداد النموذجي، يدخل الضوء من الأعلى، ويمر عبر بوابة، ويصطدم بالسيليكون. إذا كان الضوء ذا موجة طويلة جداً، فإنه يسافر عبر السيليكون بالكامل ويختفي من الأسفل، دون أن يتسبب في أي استجابة. ولإصلاح ذلك، قام الباحثون بترسيب طبقة من الألمنيوم بسمك 100 نانومتر على الجزء الخلفي تماماً من شريحة السيليكون. تعمل طبقة الألمنيوم هذه كعاكس؛ فعندما يدخل فوتون من ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة إلى السيليكون ويفشل في الامتصاص في مرته الأولى، فإنه يصطدم بمرآة الألمنيوم في الأسفل وينعكس عائداً إلى السيليكون. وهذا يعطي الضوء فرصة ثانية للامتصاص، مما يؤدي فعلياً إلى حبسه داخل المادة ويزيد من احتمالية توليد إشارة كهربائية.

كان تأثير هذه المرآة البسيطة فورياً ودراماتيكياً. فعندما اختبر الباحثون الأجهزة، وجدوا أن النسخة المزودة بعاكس الألمنيوم يمكنها اكتشاف الضوء عند أطوال موجية تصل إلى 1300 نانومتر، بينما توقف الجهاز بدون المرآة عن الاستجابة بفعالية عند حوالي 1200 نانومتر. وفي النطاق ما بين 900 و1100 نانومتر، زادت حساسية الجهاز الجديد بأكثر من اثني عشر ضعفاً مقارنة بالجهاز القديم. وعند الحافة القصوى لـ 1300 نانومتر، حيث يكون السيليكون شفافاً تماماً تقريباً، كان التحسن أكثر إثارة، حيث أصبح الجهاز أكثر استجابة بنحو ستة وعشرين ضعفاً. وهذا يعني أن الضوء الذي كان سيُفقد سابقاً يتم الآن التقاطه وتحويله إلى إشارة قابلة للاستخدام.

بعيداً عن مجرد الرؤية لمسافات أبعد، أصبح التصميم الجديد أكثر هدوءاً أيضاً. في المستشعرات الإلكترونية، غالباً ما تأتي "الضوضاء" من تيار صغير غير مرغوب فيه يتدفق حتى في حالة عدم وجود ضوء، وهو ما يعرف بالتيار المظلم. يمكن لهذه الضوضاء الخلفية أن تطغى على الإشارات الضعيفة. لاحظ الباحثون أن إضافة عاكس الألمنيوم قللت من هذا التيار المظلم بمعامل قدره 46، حيث انخفض من مستوى 2.5 × 10⁻¹⁰ أمبير إلى 5.4 × 10⁻¹² أمبير. هذا الانخفاض أمر بالغ الأهمية لأن المستشعر يمكنه التمييز بين الإشارة الحقيقية والضجيج الخلفي بوضوح أكبر بكثير. ومن المثير للاهتمام أن هذا التحسن في الحساسية وتقليل الضوضاء لم يأتِ على حساب الأداء الطبيعي للجهاز؛ إذ ظل التيار المتدفق عند تشغيل الجهاز قوياً ومستقراً، مما يثبت أن المرآة حسنت التقاط الضوء دون تعطيل التدفق الكهربائي للترانزستور.

لفهم كيفية عمل ذلك بالضبط، استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية لتصور مسار الضوء داخل السيليكون. أظهرت هذه النماذج أنه بدون المرآة، تمر كمية كبيرة من الضوء ببساطة عبر السيليكون وتضيع. ومع وجود عاكس الألمنيوم، كشفت عمليات المحاكاة أن الضوء كان يرتد ذهاباً وإياباً، ويظل محبوساً داخل طبقة السيليكون لفترة أطول. هذا التأثير متعدد المسارات يعني أنه حتى عند الأطوال الموجية التي يكون فيها السيليكون ضعيف الامتصاص بطبيعته، تمتلك الفوتونات فرصاً متعددة للتفاعل مع المادة وتوليد الكهرباء. وأكدت عمليات المحاكاة أن طبقة الألمنيوم نجحت في تركيز القدرة الضوئية داخل السيليكون، لا سيالما عند الأطوال الموجية الأطول حيث تكون المادة شفافة عادةً.

توضح الدراسة أن تعديلاً بسيطاً ومنخفض التكلفة يمكن أن يوسع بشكل كبير من قدرات المستشعرات القائمة على السيليكون. فمن خلال إضافة طبقة عاكسة إلى ظهر الشريحة ببساطة، تمكن الباحثون من دفع حد الكشف للترانزستورات الضوئية السيليكونية إلى نطاق كان من الصعب الوصول إليه سابقاً. لا يتطلب هذا النهج هياكل نانوية معقدة أو مواد جديدة باهظة الثمن، مما يجعله حلاً عملياً لتحسين استشعار الأشعة تحت الحمراء القريبة. وتشير النتائج إلى أنه باستخدام هذه الحيلة البصرية البسيطة، يمكن جعل السيليكون يرى لمسافات أبعد وبوضوح أكبر، مما يوفر مساراً نحو مستشعرات أكثر حساسية وتعدد استخدامات يمكن بناؤها باستخدام نفس خطوط التصنيع التي تنتج الرقائق في تقنياتنا الحالية.