韩国研究者通过应变工程将硅的吸收极限突破至短波红外

硅被广泛用于微电子工业中,但其光子学应用被限制在可见和部分近红外波段,这是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光学带隙等材料特性。在最近发表在《科学进展》上的一项最新研究中,韩国延世大学(Yonsei University)的Ajit K. Katiyar及其研究团队报告了应变引起的硅(Si)带隙收缩,该工艺促进了超出硅纳米膜基本极限的光电探测器(Si-NM PD)的发展。论文链接为:https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eabb0576。

该团队使用最大应变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。接着,研究者开发了具有凹凸半球形结构的可变形三维(3D)光电电子框架,可用于电子原型,该原型特点为广角光检测,是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等,可在室温下近红外(NIR)波段工作。对于激光雷达传感器和用于自动驾驶汽车的传感器,人们迫切需要能够探测1300 nm ~ 2000 nm的短波红外(SWIR)波段的光电探测器。激光雷达可作为无人驾驶车辆的眼睛,360度自动观察周围物体。另外,由于紫外-NIR波长的高功率光会损坏人眼视网膜,因此SWIR光对于激光雷达系统至关重要。理论上,硅的能带结构可在压缩应变或拉伸应变的影响下得到改变。因此,材料研究者已将硅用于各类光子应用中的基本构件。Katiyar等研究者表明,减小光学带隙可捕获能量小于硅基本能隙的光子,从而提高载流子迁移率。因此,在硅晶格上施加了双轴拉伸应变,并报告了其光响应远超出材料的光学带隙极限。

开发SWIR成像器件

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。该阵列帮助激光雷达传感器和生物启发成像系统实现了成像技术。研究者使用光刻技术对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。然后研究者使用拉曼光谱法测量了不同厚度的硅纳米膜的最大应变值。研究者还计算了10纳米厚的硅纳米膜在0 ~ 4%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

研究者们使用由10 nm厚的硅纳米膜设计而成单金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器,并研究了其应变诱导的光敏可调性,同时,计算了应变增加时每种波长的光响应性。结果发现: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载流子迁移率共同作用引起的。从理论上讲,应变可影响电荷载流子的迁移率,因此,随着双轴应变的增加,MSM器件可达到超出硅基本光吸收极限(约1100 nm)的光敏能力。

Katiyar等研究者尝试在应变不断增加的情况下,在SWIR波段内监测应变引起的硅光电探测的可调谐性。为此,探究者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波段进行光吸收。在确认了具有代表性的单硅MSM器件的SWIR光敏特性后,研究者将应变诱导的SWIR成像扩展到了6 x 6凹凸结构的Si-NM PD阵列原型。 Katiyar等研究者证明了在材料经受双轴拉伸应变后,硅的光响应能力可提升,并具有SWIR光敏能力。为此,研究者们创建了使用凸起结构上机械拉伸的薄硅纳米膜来引入应变的平台。研究者还通过施加双轴应变来探测超出材料基本光吸收极限的入射光子,从而降低了硅的光学带隙。这项研究实现了利用硅材料进行SWIR探测,并有望应用于硅基图像传感器和光伏电池。

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