阅读 | 订阅
阅读 | 订阅
深度解读

通过应变工程将硅的吸收极限突破到短波红外波长范围

来源:教育新闻网2020-08-06 我要评论(0 )   

硅被广泛用于微电子工业中,尽管其光子学应用被限制在可见和部分近红外由于其基本光谱范围内的光学带隙。因此,研究人员利用应变工程技术的最新进展来调整材料特性,包...

硅被广泛用于微电子工业中,尽管其光子学应用被限制在可见和部分近红外由于其基本光谱范围内的光学带隙。因此,研究人员利用应变工程技术的最新进展来调整材料特性,包括光学带隙。在最近发表在《科学进展》上的一项最新研究中,Ajit K. Katiyar和大韩民国电子工程与材料科学领域的一组科学家报告了应变引起的硅(Si)带隙收缩。该工艺促进了光敏技术超出硅纳米膜的基本极限光电探测器(Si-NM PD的缩写)。该团队使用最大应变为3.5%的机械拉伸Si-NM PD像素以增强光响应性,并将硅吸收极限扩展至1550 nm,适用于激光雷达传感器和自动驾驶过程中的障碍物检测。然后,他们开发了具有凹凸半球形结构的可变形三维(3-D)光电电子框架,用于电子原型,该原型显示了广角光检测,并受到昆虫生物学眼睛的启发。

光电设备

低成本的柔性可弯曲光电设备,包括生物启发成像系统,光电探测器和光伏电池可以在室温下在近红外(NIR)波长下工作。对于激光雷达传感器和用于自动驾驶汽车的传感器,人们迫切需要能够检测1300至2000 nm的短波红外(SWIR)光谱范围的光电探测器。激光雷达设备可自动观察周围物体360度,以作为无人驾驶车辆的眼睛。由于紫外-NIR波长的高功率光会损坏人眼的视网膜,因此SWIR光对于激光雷达系统至关重要。理论上的主张表明,硅的能带结构可以在压缩应变或拉伸应变的影响下得到实质性的改变。因此,材料科学家已将硅用作各种光子应用中的基本构件。例如,减小的光学带隙可以捕获能量小于硅基本能隙的光子,从而提高载流子迁移率。Katiyar等。因此,在Si晶格上施加了双轴拉伸应变,并报告了它们的光响应远远超出了材料的光学带隙极限。


开发和表征SWIR成像设备

为了证明SWIR成像能力,该团队在薄聚合物基板上的超薄硅纳米膜上制造了金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器阵列。该设置帮助他们实现了成像技术,例如激光雷达传感器和生物启发成像系统。科学家使用光刻技术对目标光电二极管阵列矩阵进行了构图,然后将构建体转移到聚酰亚胺(PI)膜上,并增加了样品架腔内的压力,使PI膜凸出并形成凹凸形状,同时保持了所制造的阵列。然后他们使用拉曼光谱法测量了不同厚度的硅纳米膜样品中的最大应变值。Katiyar等。计算了10纳米厚的硅纳米膜样品在0到4%范围内不同施加的双轴应变值下的能带图,以了解带隙减小在SWIR光检测中的作用。


硅纳米膜光电探测器(Si-NM PD)的工作原理

科学家们使用由10 nm厚的硅纳米膜设计的单个金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器,研究了应变诱导的光敏可调性。他们计算了应变增加时每个波长的光响应性。结果导致了这样的假设:增强的光响应是由增强的光吸收和在较高的应变下光诱导的载流子迁移率共同作用引起的。从理论上讲,应变可以实质上影响电荷载流子的迁移率,因此,随着双轴应变的增加,MSM器件显示出超出硅基本光吸收极限(约1100 nm)的光敏能力。

Katiyar等。然后在应变不断增加的情况下,在SWIR波长范围内监测应变引起的硅光电探测的可调谐性。为此,他们通过施加应变来改变或减小其晶体结构,以改变硅晶体的晶格间距,从而在SWIR区域进行光吸收。在确认了具有代表性的单硅MSM器件的SWIR光敏特性后,他们将应变诱导的SWIR成像扩展到了凹凸结构的6 x 6 Si-NM PD阵列原型。


演示应变诱发的调优和受生物启发的凹凸结构

为了证明应变诱导的调谐及其对光敏技术的影响,Katiyar等人。记录字母“ Y”的光电流图形,该图形首先以荫罩的形式制造在玻璃基板上。在达到约1.8%的应变水平后,他们记录了可观的光电流,以在1310 nm SWIR光下清晰地成像“ Y”。随着凸出测试腔中的应变压力增加,每个光电二极管像素中的应变也增加,最终增加了光电流的进程,以最大3.5%的应变实现图像。使用压力诱导的鼓胀方法,研究小组获得了Si-NM PD像素阵列的凸半球结构,该结构也受到昆虫的复眼生物启发而用于广角光检测。


该团队以相反的方式对光电二极管(PD)像素阵列进行了类似的设计,以产生凹形结构。具有颠倒的半球形几何形状的PD像素的凹面布置模仿了哺乳动物眼睛的凹面焦平面。使用凹面设置,该小组在1310 nm曝光和不同应变压力下类似地对字母“ Y”进行了应变驱动成像。接下来,研究小组用平面和凹面结构下的光电二极管矩阵阵列记录了字母“ I”的光电流图案,以了解凹面在成像上的优势,并指出凹面透镜可提供字母“ I”的均匀和清晰的表示。一世'。


这样,Ajit K. Katiyar及其同事证明了在使材料经受双轴拉伸应变后,硅具有改进的光响应和SWIR(短波长红外)光敏能力。他们创建了一个平台,该平台使用了在凸起结构上机械拉伸的薄硅纳米膜来引入应变。他们通过施加双轴应变来检测入射光子超出材料的基本光吸收极限,从而降低了硅的光学带隙。该团队展示了使用具有SWIR光的6 x 6矩阵金属-半导体-金属光电二极管阵列的成像能力。然后,研究人员使用半球形的凹凸形状构造了可以模仿生物眼睛的几何形状。这项工作允许通过应变工程在硅中进行SWIR感测,并有望在整个领域得到应用硅基图像传感器和光伏电池。

转载请注明出处。

光电二极管光谱

1.本站遵循行业规范,任何转载的稿件都会明确标注作者和来源;2.本站的原创文章,请转载时务必注明文章作者和来源,不尊重原创的行为我们将追究责任;3.作者投稿可能会经我们编辑修改或补充。

网友点评
0相关评论
精彩导读