Silicium wordt veel gebruikt in de micro-elektronica-industrie, hoewel de fotonica-toepassingen beperkt zijn tot het zichtbare en gedeeltelijke nabij-infrarode spectrale bereik vanwege de fundamentele optische bandgap. Onderzoekers hebben daarom recente ontwikkelingen op het gebied van spanningstechniek gebruikt om materiaaleigenschappen aan te passen, inclusief de optische bandgap. In een recente studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Ajit K. Katiyar en een groep wetenschappers op het gebied van elektronische engineering en materiaalkunde in de Republiek Korea, rapporteerde door spanning geïnduceerde krimp in de silicium (Si) bandgap. Het proces vergemakkelijkte fotodetectie voorbij de fundamentele limiet binnen silicium nanomembraan fotodetectoren (afgekort Si-NM PD). Het team heeft de Si-NM PD-pixels mechanisch uitgerekt met een maximale spanning van 3,5% om de fotoresponsiviteit te verbeteren en de siliciumabsorptielimiet tot 1550 nm verlengd met toepassingen die geschikt zijn voor lidar-sensoren en obstakeldetectie tijdens zelfrijden. Vervolgens ontwikkelden ze een vervormbaar driedimensionaal (3-D) opto-elektronicaraamwerk met concave en convexe halfronde architecturen voor elektronische prototypes die groothoeklichtdetectie weergeven, biogeïnspireerd door de biologische ogen van insecten.

Opto-elektronische apparaten

Goedkope flexibele en buigbare opto-elektronische apparaten, waaronder bio-geïnspireerde beeldvormingssystemen, fotodetectoren en fotovoltaïsche cellen kunnen functioneren onder nabij-infrarood (NIR) golflengte bij kamertemperatuur. Er is veel vraag naar lidar-sensoren en voor gebruik in zelfrijdende voertuigen. Lidar-apparaten bieden een autonoom zicht van 360 graden van omringende objecten om te werken als een oog van het voertuig zonder bestuurder. Aangezien het krachtige licht van de ultraviolet-NIR-golflengte het netvlies van het menselijk oog kan beschadigen, SWIR-licht is fundamenteel voor het lidar-systeem. Theoretische conclusies suggereren dat de bandstructuur van silicium aanzienlijk kan worden gewijzigd onder invloed van druk- of trekspanning; daarom, materiaalwetenschappers hebben silicium gebruikt als basisbouwsteen in verschillende fotonische toepassingen. Bijvoorbeeld, een verminderde optische bandgap kan fotonen vangen met energieën die kleiner zijn dan de fundamentele kloof van silicium voor een grotere mobiliteit van dragers. Katiyar et al. oefende daarom biaxiale trekspanning uit op het Si-rooster en rapporteerde dat hun fotorespons ver buiten de optische bandgap-limiet van het materiaal lag.

Ontwikkeling en karakterisering van het SWIR-beeldvormingsapparaat

Om de SWIR-beeldvormingscapaciteit te demonstreren, het team vervaardigde fotodetectorarrays van het type metaal-halfgeleider-metaal (MSM) op ultradunne silicium nanomembranen op een dun polymeersubstraat. De opstelling hielp hen beeldtechnologieën zoals lidar-sensoren en bio-geïnspireerde beeldvormingssystemen te realiseren. De wetenschappers vormden de matrix van de doelfotodiode-array met behulp van fotolithografie en brachten de constructies over op een polyimide (PI) -film en verhoogden de druk in de holte van de monsterhouder zodat de PI-film uitpuilt en convexe en concave geometrieën vormt terwijl de gefabriceerde arrays behouden blijven. Vervolgens maten ze de maximale spanningswaarde in de silicium nanomembraanmonsters van verschillende diktes met behulp van Raman-spectroscopie. Katiyar et al. berekende de elektrische energiebanddiagrammen van 10-nm dikke silicium nanomembraanmonsters bij verschillende toegepaste biaxiale spanningswaarden variërend van 0 tot 4% om de rol van de bandgap-reductie bij SWIR-lichtdetectie te begrijpen.

Het werkingsprincipe van de silicium nanomembraan fotodetector (Si-NM PD)

De wetenschappers onderzochten spanning-geïnduceerde fotosensing-afstembaarheid met een enkele metaal-halfgeleider-metaal-(MSM)-type fotodetector ontwikkeld met behulp van een 10 nm dik silicium nanomembraan. Ze berekenden de fotoresponsiviteit voor elke golflengte onder toenemende belasting. De resultaten leidden tot de veronderstelling dat de verhoogde fotoresponsiviteit het gevolg was van gecombineerde effecten van verbeterde optische absorptie en fotogeïnduceerde mobiliteit van ladingsdragers bij verhoogde spanningen. In theorie kan de spanning de mobiliteit van ladingsdragers aanzienlijk beïnvloeden, de MSM-apparaten vertoonden daarom fotogevoelige mogelijkheden die verder gingen dan de fundamentele fotoabsorptielimiet van silicium (ongeveer 1100 nm), met verhoogde toepassing van biaxiale spanning.

Katiyar et al. volgde vervolgens de spanning-geïnduceerde afstembaarheid van fotodetectie van silicium in het SWIR-golflengtebereik onder toenemende spanningen. Om dit te bereiken, ze veranderden de roosterafstand van het siliciumkristal door spanning toe te passen om de bandstructuur te wijzigen of te verminderen voor optische absorptie in het SWIR-gebied. Na bevestiging van SWIR-fotosensingfuncties van een representatief enkelvoudig silicium MSM-apparaat, ze breidden hun door spanning geïnduceerde SWIR-beeldvorming uit tot een 6 x 6 Si-NM PD-array-prototype van convexe en concave architecturen.

Demonstreren van spanning-geïnduceerde afstemming en bio-geïnspireerde convexe en concave architecturen

Om spanningsgeïnduceerde afstemming en het effect ervan op fotosensing aan te tonen, Katiyar et al. registreerde een fotostroompatroon van de alfabetletter 'Y', die eerst werd vervaardigd op een glassubstraat in de vorm van een schaduwmasker. Na het bereiken van een spanningsniveau van ongeveer 1,8%, ze registreerden een merkbare fotostroom om 'Y' duidelijk af te beelden onder een SWIR-licht van 1310 nm. Naarmate de rekdruk in de uitstulpingstestholte toenam, de spanning in elke fotodiodepixel nam ook toe, uiteindelijk het verhogen van de progressie van de fotostroom om een ​​beeld te realiseren met een maximale rek van 3,5%. Met behulp van de drukgeïnduceerde uitpuilende benadering, het team bereikte een convexe hemisferische structuur van de Si-NM PD-pixelarrays die ook bio-geïnspireerd waren door samengestelde ogen van insecten voor detectie van groothoeklicht.

Het team ontwikkelde op dezelfde manier fotodiode (PD) pixelarrays in omgekeerde volgorde om een ​​concave structuur te produceren. De concave opstelling van PD-pixels met omgekeerde halfronde geometrie bootst het concave brandpuntsvlak van een zoogdieroog na. Met behulp van de concave opstelling, het team voerde op dezelfde manier spanningsgestuurde beeldvorming uit van de letter 'Y' onder 1310 nm lichtblootstelling en verschillende persdrukken. Het team nam vervolgens het fotostroompatroon van de letter 'I' op met de fotodiodematrixarray onder vlakke en concave architecturen om het voordeel van het concave oppervlak bij beeldvorming te begrijpen, en merkte op dat de concave lens een uniforme en duidelijkere weergave van de letter 'I' geeft.

Op deze manier, Ajit K. Katiyar en collega's demonstreerden de verbeterde fotorespons en SWIR (korte golflengte infrarood) fotodetectiemogelijkheden van silicium na onderwerping van het materiaal aan biaxiale trekspanningen. Ze creëerden een platform met behulp van dunne silicium nanomembranen die mechanisch werden uitgerekt op een uitstulping om spanningen te introduceren. Ze verminderden de optische bandgap van silicium door biaxiale spanning toe te passen om invallende fotonen buiten de fundamentele optische absorptielimiet van het materiaal te detecteren. Het team demonstreerde de beeldvormingscapaciteit met behulp van een 6 x 6 matrix metaal-halfgeleider-metaal fotodiode-array met SWIR-licht. De onderzoekers construeerden vervolgens geometrieën die biologische ogen nabootsten met behulp van de halfronde convexe en concave vormen. Het werk maakte SWIR-sensing in silicium mogelijk via spanningstechniek met veelbelovende toepassingen voor op silicium gebaseerde beeldsensoren en fotovoltaïsche systemen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk