At bryde absorptionsgrænsen for silicium mod det korte bølgelængde infrarøde bølgelængdeområde via strain engineering

Silicium er meget udbredt i mikroelektronikindustrien, selvom dets fotoniske applikationer er begrænset til det synlige og delvis nær-infrarøde spektralområde på grund af dets grundlæggende optiske båndgap. Forskere har derfor brugt de seneste fremskridt inden for stamteknik til at skræddersy materialegenskaber, inklusive det optiske båndgab. I en nylig undersøgelse offentliggjort på Videnskabens fremskridt , Ajit K. Katiyar og en gruppe forskere inden for elektronisk teknik og materialevidenskab i Republikken Korea, rapporterede belastningsinduceret svind i silicium (Si) båndgabet. Processen lettede fotosensing ud over den fundamentale grænse inden for silicium nanomembran fotodetektorer (forkortet Si-NM PD). Holdet strakte mekanisk Si-NM PD-pixelerne ved at bruge en maksimal belastning på 3,5 % for at forbedre fotoresponsiviteten og udvidede siliciumabsorptionsgrænsen op til 1550 nm med applikationer, der er egnet til lidarsensorer og forhindringsdetektion under selvkørende. De udviklede derefter en deformerbar tredimensionel (3-D) optoelektronisk ramme med konkave og konvekse halvkugleformede arkitekturer til elektroniske prototyper, der viser vidvinkellysdetektering, bioinspireret af insekters biologiske øjne.

Optoelektroniske enheder

Lavpris fleksible og bøjelige optoelektroniske enheder inklusive bioinspirerede billeddannelsessystemer, fotodetektorer og fotovoltaiske celler kan fungere under nær-infrarød (NIR) bølgelængde ved stuetemperatur. Fotodetektorer, der kan detektere det korte bølgelængde infrarøde (SWIR) spektralområde fra 1300 til 2000 nm, er i høj efterspørgsel efter lidar-sensorer og til brug i selvkørende køretøjer. Lidar-enheder giver en autonom visning af 360 grader af omgivende objekter, så de fungerer som øjet for det førerløse køretøj. Da højeffektlys med ultraviolet-NIR-bølgelængde kan beskadige nethinden i det menneskelige øje, SWIR -lys er grundlæggende for lidarsystemet. Teoretiske krav antyder, at siliciums båndstruktur kan modificeres væsentligt under påvirkning af tryk- eller trækbelastning; derfor, materialeforskere har brugt silicium som en grundlæggende byggesten i en række fotoniske applikationer. For eksempel, et reduceret optisk båndgab kan fange fotoner med energier mindre end siliciums fundamentale hul for øget bærermobilitet. Katiyar et al. påførte derfor biaksial trækspænding på Si-gitteret og rapporterede, at deres fotorespons var langt ud over materialets optiske båndgab-grænse.

Udvikling og karakterisering af SWIR billedbehandlingsenheden

For at demonstrere SWIR-billeddannelsesevnen, holdet fremstillede metal-halvleder-metal (MSM) type fotodetektorarrays på ultratynde siliciumnanomembraner på et tyndt polymersubstrat. Opsætningen hjalp dem med at realisere billedteknologier såsom lidar-sensorer og bioinspirerede billeddannelsessystemer. Forskerne mønstrede målfotodiodearray-matrixen ved hjælp af fotolitografi og overførte konstruktionerne til en polyimid (PI) film og øgede trykket inde i prøveholderens hulrum, så PI-filmen buler ud og danner konvekse og konkave geometrier, mens de fremstillede arrays bibeholdes. De målte derefter den maksimale belastningsværdi i siliciumnanomembranprøverne af forskellige tykkelser ved hjælp af Raman-spektroskopi. Katiyar et al. beregnet de elektriske energibåndsdiagrammer for 10-nm-tykke silicium-nanomembranprøver ved forskellige anvendte biaxiale stamværdier fra 0 til 4% for at forstå rollen som båndgapreduktionen i SWIR-lysdetektering.

Arbejdsprincippet for siliciumnanomembranfotodetektoren (Si-NM PD)

Forskerne undersøgte strain-induceret fotosensing tunability med en enkelt metal-halvleder-metal-(MSM)-type fotodetektor konstrueret ved hjælp af en 10-nm-tyk silicium nanomembran. De beregnede fotoresponsiviteten for hver bølgelængde under stigende belastning. Resultaterne førte til antagelsen om, at den øgede fotoresponsivitet skyldtes kombinerede effekter af forbedret optisk absorption og fotoinducerede ladningsbærermobiliteter ved forhøjede stammer. I teorien kan stammen påvirke mobiliteten af ​​ladningsbærere væsentligt, MSM-enhederne viste derfor fotosensing-egenskaber ud over den grundlæggende fotoabsorptionsgrænse for silicium (ca. 1100 nm), med øget anvendelse af biaxial stamme.

Katiyar et al. overvågede derefter den belastningsinducerede afstemning af fotodetektion af silicium i SWIR-bølgelængdeområdet under stigende belastninger. For at opnå dette, de ændrede gitterafstanden af ​​siliciumkrystallen ved at påføre belastning for at modificere eller reducere dens båndstruktur til optisk absorption i SWIR-området. Efter at have bekræftet SWIR fotosensningsfunktioner for en repræsentativ enkelt silicium MSM -enhed, de udvidede deres stammeinducerede SWIR-billeddannelse til en 6 x 6 Si-NM PD-array-prototype af konvekse og konkave arkitekturer.

Demonstration af stammeinduceret tuning og bioinspireret konvekse og konkave arkitekturer

For at demonstrere belastningsinduceret tuning og dens effekt på fotosensing, Katiyar et al. optog et fotostrømmønster af alfabetets bogstav 'Y', som først blev fremstillet på et glasunderlag i form af en skyggemaske. Efter at have nået et omtrentligt belastningsniveau på 1,8 %, de optog en mærkbar fotostrøm for tydeligt at se 'Y' under et 1310-nm SWIR-lys. Da belastningstrykket i udbulningstesthulrummet steg, belastningen i hver fotodiodepixel steg også, til sidst at øge progressionen af ​​fotostrømmen for at realisere et billede med en maksimal belastning på 3,5%. Ved at bruge den tryk-inducerede udbuling tilgang, holdet opnåede en konveks halvkugleformet struktur af Si-NM PD pixel arrays, der også var bioinspireret af sammensatte øjne fra insekter til vidvinkel lysdetektion.

Holdet konstruerede på samme måde fotodiode (PD) pixel arrays omvendt for at producere en konkav struktur. Det konkave arrangement af PD-pixel med omvendt halvkugleformet geometri efterlignede det konkave brændplan af et pattedyrøje. Ved at bruge den konkave opsætning, holdet udførte på samme måde strain-drevet billeddannelse af bogstavet 'Y' under 1310-nm lyseksponering og forskellige belastningstryk. Holdet registrerede derefter fotostrømmønsteret af bogstavet 'I' med fotodiodematrix-arrayet under plane og konkave arkitekturer for at forstå fordelen ved den konkave overflade på billeddannelse, og bemærkede den konkave linse for at give en ensartet og tydeligere repræsentation af bogstavet 'I'.

På denne måde Ajit K. Katiyar og kolleger demonstrerede den forbedrede fotorespons og SWIR (kortbølgelængde infrarød) fotosensing evner af silicium efter at have udsat materialet for biaksiale trækspændinger. De skabte en platform ved hjælp af tynde silicium nanomembraner mekanisk strakt på en bule opsætning for at introducere stammer. De reducerede det optiske båndgab af silicium ved at anvende biaksial belastning for at detektere indfaldende fotoner ud over den grundlæggende optiske absorptionsgrænse for materialet. Holdet demonstrerede billeddannelsesevnen ved hjælp af en 6 x 6 matrix metal-halvleder-metal fotodiode-array med SWIR-lys. Forskerne konstruerede derefter geometrier, der efterlignede biologiske øjne ved hjælp af de halvkugleformede konvekse og konkave former. Arbejdet muliggjorde SWIR-sensing i silicium via strain engineering med lovende applikationer på tværs af siliciumbaserede billedsensorer og fotovoltaik.

© 2020 Science X Network