Silicium-fotodiodes zijn halfgeleiderapparaten die gewoonlijk worden gebruikt om zichtbaar licht te detecteren en de intensiteit ervan te meten, kleur en positie. Het feit dat deze apparaten van silicium zijn gemaakt, heeft zowel voor- als nadelen.

Hoewel silicium kan worden gebruikt om systemen te ontwikkelen die goedkoper zijn en vrij eenvoudig te integreren met uitleeselektronica, het voorkomt ook dat fotodiodes nabij-infrarood (NIR) en kortegolf-infrarood (SWIR) licht detecteren. In feite, silicium heeft een bandgap van 1,12 eV, wat overeenkomt met een golflengte van 1, 100 nanometer. Dit maakt het uiteindelijk moeilijk voor fotodiodes gemaakt van silicium om NIR-licht te detecteren (bij golflengten van 700 tot 1, 000 nanometer) en SWIR-licht (bij golflengten van 1, 000 tot 1, 700 nanometer).

Om deze beperking te overwinnen, een team van onderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) en het NASA Ames Research Center heeft onlangs een nieuw type siliciumfotodiodes ontwikkeld op basis van zandlopervormige silicium nanodraden met fluisterende galerijmodi die hun nabij-infrarood fotorespons verbeteren. Hun studie was te zien in Natuur Elektronica .

"Het startpunt van dit onderzoek was het ontwikkelen van een silicium fotodetector voor vermogensbewaking van laserchirurgische apparatuur met behulp van een 1, 064-nanometer lichtbron (voornamelijk gebruikt voor oogheelkundige toepassingen, enzovoort.), "Chang-Ki Baek, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore.

aanvankelijk, Baek en zijn collega's probeerden de opname van 1 te optimaliseren, 064-nanometer golflengtelicht door de diameter en hoogte te veranderen van omgekeerde kegelvormige silicium nanodraad (SiNW) structuren die hun laboratorium eerder had ontwikkeld. Om dit te doen, ze hebben de etsgasverhouding en etstijd van een HBr HBr / Cl . aangepast ₂ / O ₂ mengsel.

Dit leidde tot de onverwachte verschijning van de eerste zandlopervormige SiNW-array in bepaalde O ₂ gasomstandigheden. In hun eerdere onderzoek de onderzoekers observeerden twee belangrijke optische eigenschappen van kegelvormige SiNW-structuren:een toenemende lichtabsorptie in omgekeerde kegelvormige structuren als gevolg van hun resonantie, en een afnemende oppervlaktereflectie in regelmatige kegelvormige structuren vanwege hun brekingsindexaanpassing.

"Omdat het zandlopervormige SiNW de voordelen heeft van zowel omgekeerde als rechte kegelvormige structuren, we voorspelden dat het toepassen van een zandlopervormige SiNW-array op de fotodiode de nabij-infrarooddetectie zou verbeteren, " zei Baek. "In TCAD-simulaties en experimenten, we hebben de verbetering van nabij-infrarooddetectie geverifieerd met de gefabriceerde fotodiode. Als resultaat, onze zandlopervormige SiNW-fotodiode kan worden uitgedrukt als een onbedoeld ontdekt idee tijdens het ontwerp van een etsproces."

Het door de onderzoekers voorgestelde apparaat is het meest basale type PN-overgangsfotodiode. Het werd vervaardigd met behulp van methoden die gewoonlijk worden gebruikt om siliciumhalfgeleiders te maken, zoals afzetting, etsen, fotolithografie, oxidatie en metallisatie.

"Het werkingsprincipe van PN-junctie-fotodiodes is als volgt:elektron-gat-paren (EHP) worden gegenereerd in het uitputtingsgebied wanneer een lichtbron met energie groter dan de siliciumbandgap invalt, Baek legde uit. "Omdat EHP's door het interne elektrische veld worden gescheiden in de bovenste en onderste elektroden, fotostroom wordt gegenereerd."

Bij het fabriceren van de fotodiode, de onderzoekers gebruikten een radiale PN-overgang die de lichtabsorptievoordelen van een vlakke PN-overgang maximaliseert door een zandlopervormige reeks SiNW's toe te passen. De verticale SiNW-array in het apparaat heeft een groter oppervlak dan vlakke typen arrays. In aanvulling, het kan primair licht van de nanodraden eromheen opnieuw absorberen, wat de oppervlaktereflectie aanzienlijk vermindert.

"Omdat het absorptiepad van de lichtbron en het elektron gescheiden zijn in het SiNW, het absorptiepad van het elektron kan worden beperkt tot de diameter van het SiNW. die de elektronenrecombinatie kan verminderen wanneer nabij-infrarood met een lange absorptielengte loodrecht op het SiNW invalt, waardoor een grote fotostroom wordt gegenereerd, " zei Baek. "Dit zijn de voordelen van de basis SiNW-array en radiale PN-overgang."

Twee andere voordelen van de zandlopervormige SiNW-arrays die door de onderzoekers zijn bedacht, zijn hun resonantie en brekingsindex-matching. In feite, de taps toelopende opstelling van de bovenste omgekeerde kegelvormige structuur maakt resonantie in fluistergalerijmodus mogelijk. Dit betekent dat een lichtbron wordt geabsorbeerd door rond het oppervlak van de nanodraad te draaien, waardoor het lichtabsorptiepad wordt verbeterd.

"In de onderste kegelvormige structuur, hoe kleiner de diameter, hoe meer vergelijkbaar met de brekingsindex van lucht, dus de oppervlaktereflectie is veel lager dan die van bulksilicium. Daarom, het kan de gereflecteerde of doorgelaten lichtbron van het bovenste deel effectief absorberen, " zei Baek. "Als gevolg daarvan, een zandlopervormige SiNW-fotodiode kan bijna-infrarood effectief absorberen vanwege hun lage oppervlaktereflectie en lange effectieve lichtabsorptielengte."

De zandlopervormige SiNW-fotodiode ontwikkeld door de Baek en zijn collega's zorgt voor een betere absorptie van nabij-infrarood licht, wat tot nu toe erg moeilijk is gebleken voor siliciumfotodiodes met een meer conventionele vorm om te absorberen. Nabij-infrarooddetectietechnologie kan verschillende toepassingen hebben, bijvoorbeeld, in zelfrijdende LiDAR-technologie, medische uitrusting, verdedigingshulpmiddelen, en time-of-flight (TOF) sensoren.

"Alle zandlopervormige SiNW-fotodiodes kunnen worden vervaardigd met behulp van bestaande silicium-top-down-processen, die goedkope massaproductie en reproduceerbaarheid van hoge prestaties mogelijk maakt, " zei Baek. "Met andere woorden, deze technologie is van grote waarde vanwege het commercialiseringspotentieel."

In de toekomst, de zandlopervormige siliciumfotodiode zou de ontwikkeling van nabij-infraroodsensoren voor verschillende doeleinden mogelijk maken. In hun studie hebben bijvoorbeeld, de onderzoekers gebruikten de fotodiode om een ​​hartslagmeetsysteem te creëren dat een prestatie behaalde die vergelijkbaar is met die van commercieel beschikbare tools.

"Basiswetenschappelijk onderzoek is belangrijk, natuurlijk, maar als ingenieur Ik denk dat het belangrijkste is om onderzoek te doen dat mensen in het echte leven kan helpen, " zei Baek. "Momenteel, we plannen twee onderzoeksprojecten op basis van onze ervaring met het ontwikkelen van fotodiodes."

In de komende maanden, Baek en zijn collega's hopen de fotodiode die ze hebben ontwikkeld te gebruiken om een ​​goedkope en compacte TOF-sensor te maken, een type detectieapparaat dat veel wordt gebruikt in zelfrijdende voertuigen. In aanvulling, ze zijn van plan om samen te werken met elektronica-engineeringbedrijven om de gevoeligheid van CMOS-beeldsensoren (CIS) -modules te verbeteren, die worden gebruikt om tal van elektronische apparaten te fabriceren, inclusief smartphones.

"Uit een recent onderzoek is gebleken dat de CIS-module met verbeterde nabij-infrarooddetectie betere beelden oplevert, " zei Baek. "In dezelfde context, wij zijn van mening dat onze knowhow op het gebied van fotodiodeontwikkeling kan helpen de nabij-infrarooddetectie van de CIS-modules te verbeteren, waardoor de kwaliteit van de verkregen afbeelding of video wordt verbeterd."

© 2019 Wetenschap X Netwerk