Timeglasformede siliciumfotodioder med en forbedret nær-infrarød fotorespons

Siliciumfotodioder er halvlederenheder, der almindeligvis bruges til at detektere synligt lys og måle dets intensitet, farve og position. Det faktum, at disse enheder er lavet af silicium, har både fordele og ulemper.

Selvom silicium kan bruges til at udvikle systemer, der er billigere og ret lette at integrere med udlæsningselektronik, det forhindrer også fotodioder i at detektere nær-infrarødt (NIR) og kortbølget infrarødt (SWIR) lys. Faktisk, silicium har et båndgab på 1,12 eV, hvilket svarer til en bølgelængde på 1, 100 nanometer. Dette gør det i sidste ende vanskeligt for fotodioder lavet af silicium at detektere NIR-lys (ved bølgelængder på 700 til 1, 000 nanometer) og SWIR-lys (ved bølgelængder på 1, 000 til 1, 700 nanometer).

For at overvinde denne begrænsning, et team af forskere ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH) og NASA Ames Research Center har for nylig udviklet en ny type siliciumfotodioder baseret på timeglasformede siliciumnanotråde med hviskende galleritilstande, der forbedrer deres nær-infrarøde fotorespons. Deres undersøgelse blev omtalt i Naturelektronik .

"Udgangspunktet for denne forskning var at udvikle en silicium fotodetektor til effektovervågning af laserkirurgisk udstyr ved hjælp af en 1, 064 nanometer lyskilde (anvendes hovedsagelig til oftalmiske applikationer, etc.), "Chang-Ki Baek, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore.

I første omgang, Baek og hans kolleger forsøgte at optimere absorptionen af ​​1, 064 nanometer bølgelængde lys ved at ændre diameteren og højden af ​​inverterede kegleformede siliciumnanowire (SiNW) strukturer, som deres laboratorium tidligere havde udviklet. At gøre dette, de justerede ætsningsgasforholdet og ætsetiden for en HBr HBr/Cl ₂ / O ₂ blanding.

Dette førte til den uventede fremkomst af den første timeglasformede SiNW-array i visse O ₂ gasforhold. I deres tidligere forskning, forskerne observerede to vigtige optiske egenskaber ved kegleformede SiNW-strukturer:en stigende lysabsorption i inverterede kegleformede strukturer som følge af deres resonans, og en faldende overfladereflektans i regulære kegleformede strukturer på grund af deres brydningsindekstilpasning.

"Da den timeglasformede SiNW har fordelene ved både omvendte og lige kegleformede strukturer, vi forudsagde, at anvendelse af et timeglasformet SiNW-array på fotodiode ville forbedre den nær-infrarøde detektion, " sagde Baek. "I TCAD-simuleringer og eksperimenter, vi bekræftede forbedringen af ​​nær-infrarød detektion med den fremstillede fotodiode. Som resultat, vores timeglasformede SiNW fotodiode kan udtrykkes som en utilsigtet opdaget idé under udformningen af ​​en ætseproces."

Enheden foreslået af forskerne er den mest grundlæggende type PN-junction fotodiode. Det blev fremstillet ved at anvende metoder, der almindeligvis bruges til at fremstille siliciumhalvledere, såsom aflejring, ætsning, fotolitografi, oxidation og metallisering.

"Operationsprincippet for PN-junction-fotodioder er som følger:elektron-hul-par (EHP) genereres i udtømningsområdet, når en lyskilde med energi større end siliciumbåndsafstanden falder ind, " Forklarede Baek. "Da EHP'er er adskilt i de øverste og nederste elektroder af det indre elektriske felt, fotostrøm genereres."

Når fotodioden fremstilles, forskerne brugte et radialt PN-kryds, der maksimerer lysabsorptionsfordelene ved et plant PN-kryds ved at anvende et timeglasformet array af SiNW'er. Det lodrette SiNW-array i enheden har et større overfladeareal end plane typer af arrays. Ud over, det kan genabsorbere primært lys fra nanotrådene, der omgiver det, hvilket reducerer dens overfladereflektans betydeligt.

"Da absorptionsvejen for lyskilden og elektronen er adskilt i SiNW, elektronens absorptionsvej kan begrænses til diameteren af ​​SiNW. som kan reducere elektronrekombinationen, når nær-infrarød med lang absorptionslængde falder ind vinkelret på SiNW, derved genererer en stor fotostrøm, " sagde Baek. "Dette er fordelene ved det grundlæggende SiNW-array og radiale PN-kryds."

To yderligere fordele ved de timeglasformede SiNW-arrays udtænkt af forskerne er deres resonans- og brydningsindeksmatchning. Faktisk, det tilspidsede arrangement af den øvre omvendt-kegleformede struktur muliggør hviskende-galleri-mode-resonans. Det betyder, at en lyskilde absorberes ved at rotere omkring overfladen af ​​nanotråden, hvorved lysabsorptionsvejen forbedres.

"I den nederste kegleformede struktur, jo mindre diameter, jo mere ligner luftens brydningsindeks, så overfladereflektansen er meget lavere end for bulk silicium. Derfor, det kan effektivt absorbere den reflekterede eller transmitterede lyskilde fra dens øvre del, " sagde Baek. "Som et resultat, en timeglasformet SiNW-fotodiode kan effektivt absorbere nær-infrarødt på grund af deres lave overfladereflektans og lange effektive lysabsorptionslængde."

Den timeglasformede SiNW fotodiode udviklet af Baek og hans kolleger muliggør bedre absorption af nær-infrarødt lys, hvilket hidtil har vist sig meget svært for siliciumfotodioder med en mere konventionel form at absorbere. Nær-infrarød sensorteknologi kan have en række anvendelser, for eksempel, i selvkørende LiDAR-teknologi, medicinsk udstyr, forsvarsværktøjer, og time-of-flight (TOF) sensorer.

"Alle timeglasformede SiNW fotodioder kan fremstilles ved hjælp af eksisterende silicium top-down processer, som muliggør lavpris masseproduktion og høj ydeevne reproducerbarhed, " sagde Baek. "Med andre ord, denne teknologi er af stor værdi for dets kommercialiseringspotentiale."

I fremtiden, den timeglasformede siliciumfotodiode kunne muliggøre udviklingen af ​​nær-infrarøde sensorenheder til flere formål. I deres undersøgelse, for eksempel, forskerne brugte fotodioden til at skabe et pulsmålesystem, der opnåede en ydeevne, der kan sammenlignes med den, der opnås med kommercielt tilgængelige værktøjer.

"Grundvidenskabelig forskning er vigtig, selvfølgelig, men som ingeniør, Jeg tror, ​​det vigtigste er at lave forskning, der kan hjælpe mennesker i det virkelige liv, " sagde Baek. "I øjeblikket, vi planlægger to forskningsprojekter baseret på vores erfaring med udvikling af fotodioder."

I løbet af de næste par måneder, Baek og hans kolleger håber at kunne bruge den fotodiode, de udviklede, til at skabe en billig og kompakt TOF-sensor, en type føleanordning, der er meget udbredt i selvkørende køretøjer. Ud over, de planlægger at begynde at arbejde med elektronikingeniørvirksomheder for at forbedre følsomheden af ​​CMOS billedsensorer (CIS) moduler, som bruges til at fremstille adskillige elektroniske enheder, herunder smartphones.

"En nylig undersøgelse viste, at CIS-modulet med forbedret nær-infrarød detektion giver bedre billeder, " sagde Baek. "Med samme sammenhæng, vi tror på, at vores knowhow om udvikling af fotodioder kan hjælpe med at forbedre den nær-infrarøde detektion af CIS-modulerne, dermed forbedre kvaliteten af ​​det erhvervede billede eller video."

© 2019 Science X Network