I fotodiodi al silicio sono dispositivi a semiconduttore comunemente usati per rilevare la luce visibile e misurarne l'intensità, colore e posizione. Il fatto che questi dispositivi siano realizzati in silicio presenta sia vantaggi che svantaggi.

Sebbene il silicio possa essere utilizzato per sviluppare sistemi più economici e abbastanza facili da integrare con l'elettronica di lettura, impedisce inoltre ai fotodiodi di rilevare la luce del vicino infrarosso (NIR) e dell'infrarosso a onde corte (SWIR). Infatti, il silicio ha una banda proibita di 1,12 eV, che è equivalente a una lunghezza d'onda di 1, 100 nanometri. Ciò alla fine rende difficile per i fotodiodi in silicio rilevare la luce NIR (a lunghezze d'onda da 700 a 1, 000 nanometri) e luce SWIR (a lunghezze d'onda di 1, 000 a 1, 700 nanometri).

Per superare questo limite, un team di ricercatori della Pohang University of Science and Technology (POSTECH) e del NASA Ames Research Center ha recentemente sviluppato un nuovo tipo di fotodiodi al silicio basati su nanofili di silicio a forma di clessidra con modalità galleria sussurrante che migliorano la loro fotorisposta nel vicino infrarosso. Il loro studio è stato presentato in Elettronica della natura .

"Il punto di partenza di questa ricerca è stato lo sviluppo di un fotorilevatore al silicio per il monitoraggio della potenza delle apparecchiature chirurgiche laser utilizzando un 1, Sorgente luminosa a 064 nanometri (utilizzata principalmente per applicazioni oftalmiche, eccetera.), "Chang Ki Baek, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore.

Inizialmente, Baek e i suoi colleghi hanno cercato di ottimizzare l'assorbimento di 1, Luce di lunghezza d'onda di 064 nanometri modificando il diametro e l'altezza delle strutture di nanofili di silicio (SiNW) a forma di cono invertito che il loro laboratorio aveva precedentemente sviluppato. Per fare questo, hanno regolato il rapporto del gas di attacco e il tempo di attacco di un HBr HBr / Cl ₂ / O ₂ miscela.

Ciò ha portato alla comparsa inaspettata del primo array SiNW a forma di clessidra in alcuni O ₂ condizioni del gas. Nella loro precedente ricerca, i ricercatori hanno osservato due proprietà ottiche chiave delle strutture SiNW a forma di cono:un crescente assorbimento della luce nelle strutture a forma di cono invertito derivante dalla loro risonanza, e una riflettanza superficiale decrescente in strutture regolari a forma di cono a causa della loro corrispondenza dell'indice di rifrazione.

"Poiché il SiNW a forma di clessidra presenta i vantaggi di strutture a forma di cono sia invertite che diritte, abbiamo previsto che l'applicazione di un array SiNW a forma di clessidra al fotodiodo avrebbe migliorato il rilevamento del vicino infrarosso, " ha detto Baek. "Nelle simulazioni e negli esperimenti TCAD, abbiamo verificato il miglioramento del rilevamento del vicino infrarosso con il fotodiodo fabbricato. Di conseguenza, il nostro fotodiodo SiNW a forma di clessidra può essere espresso come un'idea scoperta involontariamente durante la progettazione di un processo di incisione."

Il dispositivo proposto dai ricercatori è il tipo più elementare di fotodiodo a giunzione PN. È stato fabbricato utilizzando metodi comunemente usati per realizzare semiconduttori di silicio, come la deposizione, incisione, fotolitografia, ossidazione e metallizzazione.

"Il principio di funzionamento dei fotodiodi a giunzione PN è il seguente:le coppie elettrone-lacuna (EHP) vengono generate nella regione di esaurimento quando viene incidente una sorgente luminosa con energia maggiore del bandgap di silicio, " ha spiegato Baek. "Poiché gli EHP sono separati negli elettrodi superiore e inferiore dal campo elettrico interno, viene generata la fotocorrente."

Quando si fabbrica il fotodiodo, i ricercatori hanno utilizzato una giunzione PN radiale che massimizza i vantaggi di assorbimento della luce di una giunzione PN planare applicando una serie di SiNW a forma di clessidra. L'array SiNW verticale nel dispositivo ha una superficie maggiore rispetto ai tipi di array planari. Inoltre, può riassorbire la luce primaria dai nanofili che la circondano, che riduce notevolmente la sua riflettanza superficiale.

"Poiché il percorso di assorbimento della sorgente luminosa e dell'elettrone è separato nel SiNW, il percorso di assorbimento dell'elettrone può essere limitato al diametro del SiNW. che può ridurre la ricombinazione elettronica quando il vicino infrarosso con una lunga lunghezza di assorbimento è incidente perpendicolare al SiNW, generando così una grande fotocorrente, "Baek ha detto. "Questi sono i meriti della matrice SiNW di base e della giunzione radiale PN".

Due ulteriori vantaggi degli array SiNW a forma di clessidra ideati dai ricercatori sono la loro risonanza e la corrispondenza dell'indice di rifrazione. Infatti, la disposizione rastremata della struttura superiore a forma di cono rovesciato consente una risonanza in modalità whispering-gallery. Ciò significa che una sorgente luminosa viene assorbita ruotando attorno alla superficie del nanofilo, migliorando così il percorso di assorbimento della luce.

"Nella struttura inferiore a forma di cono, più piccolo è il diametro, quanto più simile all'indice di rifrazione dell'aria, quindi la riflettanza superficiale è molto inferiore a quella del silicio sfuso. Perciò, può assorbire efficacemente la sorgente luminosa riflessa o trasmessa dalla sua parte superiore, " Disse Baek. "Di conseguenza, un fotodiodo SiNW a forma di clessidra può assorbire efficacemente il vicino infrarosso grazie alla loro bassa riflettanza superficiale e alla lunghezza effettiva di assorbimento della luce."

Il fotodiodo SiNW a forma di clessidra sviluppato da Baek e dai suoi colleghi consente un migliore assorbimento della luce nel vicino infrarosso, che finora si è rivelato molto difficile da assorbire per i fotodiodi al silicio con una forma più convenzionale. La tecnologia di rilevamento nel vicino infrarosso può avere una varietà di applicazioni, ad esempio, nella tecnologia LiDAR a guida autonoma, attrezzature mediche, strumenti di difesa, e sensori di tempo di volo (TOF).

"Tutti i fotodiodi SiNW a forma di clessidra possono essere fabbricati utilizzando processi top-down al silicio esistenti, che consente la produzione di massa a basso costo e la riproducibilità ad alte prestazioni, " Baek ha detto. "In altre parole, questa tecnologia è di grande valore per il suo potenziale di commercializzazione."

Nel futuro, il fotodiodo al silicio a forma di clessidra potrebbe consentire lo sviluppo di dispositivi di rilevamento del vicino infrarosso per diversi scopi. Nel loro studio, ad esempio, i ricercatori hanno utilizzato il fotodiodo per creare un sistema di misurazione della frequenza cardiaca che ha raggiunto prestazioni paragonabili a quelle ottenute dagli strumenti disponibili in commercio.

"La ricerca scientifica di base è importante, Certo, ma come ingegnere, Penso che la cosa più importante sia fare ricerca che possa aiutare le persone nella vita reale, " Baek ha detto. "Attualmente, stiamo pianificando due progetti di ricerca basati sulla nostra esperienza nello sviluppo di fotodiodi."

Nei prossimi mesi, Baek e i suoi colleghi sperano di utilizzare il fotodiodo che hanno sviluppato per creare un sensore TOF compatto e a basso costo, un tipo di dispositivo di rilevamento ampiamente utilizzato nei veicoli a guida autonoma. Inoltre, hanno in programma di iniziare a lavorare con società di ingegneria elettronica per migliorare la sensibilità dei moduli dei sensori di immagine CMOS (CIS), che vengono utilizzati per fabbricare numerosi dispositivi elettronici, compresi gli smartphone.

"Uno studio recente ha scoperto che il modulo CIS con rilevamento del vicino infrarosso migliorato produce immagini migliori, " Baek ha detto. "Con lo stesso contesto, crediamo che il nostro know-how nello sviluppo di fotodiodi possa aiutare a migliorare il rilevamento del vicino infrarosso dei moduli CIS, migliorando così la qualità dell'immagine o del video acquisito."

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