Fabbricazione di dispositivi array 6 × 6 Si NM per PD estensibile a deformazione controllata. (A) Illustrazione schematica della fabbricazione del dispositivo. RIE, attacco con ioni reattivi. (B) Fotografia di un dispositivo fabbricato su substrato SiO2/Si rivestito di PI e corrispondente vista ingrandita delle sezioni del dispositivo. (C) Immagini SEM di forma emisferica convessa (in alto) e concava (in basso) di film PI rigonfio contenente un array Si-NM PD 6 × 6. Barre della scala, 0,5 millimetri. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Il silicio è ampiamente utilizzato nell'industria della microelettronica, sebbene le sue applicazioni fotoniche siano limitate alla gamma spettrale del vicino infrarosso visibile e parziale a causa del suo fondamentale gap ottico. I ricercatori hanno quindi utilizzato i recenti progressi nell'ingegneria delle deformazioni per adattare le proprietà dei materiali, compreso il bandgap ottico. In un recente studio ora pubblicato su Progressi scientifici , Ajit K. Katiyar e un gruppo di scienziati in ingegneria elettronica e scienza dei materiali nella Repubblica di Corea, riportato ritiro indotto da deformazione nel bandgap di silicio (Si). Il processo ha facilitato il fotorilevamento oltre il limite fondamentale all'interno dei fotorivelatori a nanomembrana di silicio (abbreviato Si-NM PD). Il team ha allungato meccanicamente i pixel Si-NM PD utilizzando una deformazione massima del 3,5% per migliorare la fotoresponsività e ha esteso il limite di assorbimento del silicio fino a 1550 nm con applicazioni adatte per sensori lidar e rilevamento di ostacoli durante la guida autonoma. Hanno quindi sviluppato una struttura optoelettronica tridimensionale (3D) deformabile con architetture emisferiche concave e convesse per prototipi elettronici che visualizzano il rilevamento della luce grandangolare, bioispirato dagli occhi biologici degli insetti.
Dispositivi optoelettronici
Dispositivi optoelettronici flessibili e pieghevoli a basso costo, inclusi sistemi di imaging bioispirati, i fotorivelatori e le celle fotovoltaiche possono funzionare alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso (NIR) a temperatura ambiente. I fotorilevatori in grado di rilevare la gamma spettrale dell'infrarosso a lunghezza d'onda corta (SWIR) da 1300 a 2000 nm sono molto richiesti per i sensori lidar e per l'uso nei veicoli a guida autonoma. I dispositivi Lidar forniscono una visione autonoma di 360 gradi degli oggetti circostanti per funzionare come un occhio del veicolo senza conducente. Poiché la luce ad alta potenza della lunghezza d'onda NIR ultravioletta può danneggiare la retina dell'occhio umano, La luce SWIR è fondamentale per il sistema lidar. Le affermazioni teoriche suggeriscono che la struttura a bande del silicio può essere sostanzialmente modificata sotto l'influenza della deformazione di compressione o trazione; perciò, gli scienziati dei materiali hanno utilizzato il silicio come elemento costitutivo di base in una varietà di applicazioni fotoniche. Ad esempio, un gap ottico ridotto può catturare fotoni con energie inferiori al gap fondamentale del silicio per una maggiore mobilità dei portatori. Katiyar et al. quindi applicato uno sforzo di trazione biassiale sul reticolo di Si e ha riportato che la loro fotorisposta è ben oltre il limite del bandgap ottico del materiale.
Caratteristiche di deformazione e fotorilevamento del singolo dispositivo MSM fabbricato su Si NM di dimensioni 20 μm per 20 μm di spessore 10 nm e calcolo teorico della struttura elettronica della banda. (A) Spettri Raman di un campione Si NM di 10 nm di spessore registrato con pressione crescente. Gli spettri mostrano il miglioramento dell'intensità della diffusione Raman e lo spostamento della posizione di picco verso il lato del numero d'onda inferiore con l'aumento della pressione. a.u., unità arbitrarie. (B) Massimo valore di deformazione biassiale applicato in Si NM di diversi spessori tramite il processo di rigonfiamento appena prima della frattura. L'inserto mostra il Si NM prima (in basso a sinistra) e dopo la frattura (in alto a destra). (C) Struttura a banda elettronica dipendente dalla deformazione di Si NM di 10 nm di spessore con una deformazione biassiale applicata fino al 4%. (D) Rappresentazione schematica delle disposizioni atomiche di Si NM di ~ 10-nm di spessore utilizzato nel calcolo teorico. (E) Valori di bandgap di diverse transizioni estratti dal diagramma delle bande di energia calcolata per un campione Si NM di 10 nm di spessore soggetto a un aumento della tensione di trazione biassiale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Sviluppo e caratterizzazione del dispositivo di imaging SWIR
Per dimostrare la capacità di imaging SWIR, il team ha fabbricato array di fotorivelatori di tipo metallo-semiconduttore-metallo (MSM) su nanomembrane di silicio ultrasottili su un sottile substrato polimerico. La configurazione li ha aiutati a realizzare tecnologie di imaging come sensori lidar e sistemi di imaging bioispirati. Gli scienziati hanno modellato la matrice dell'array di fotodiodi target utilizzando la fotolitografia e hanno trasferito i costrutti su un film di poliimmide (PI) e hanno aumentato la pressione all'interno della cavità del supporto del campione affinché il film PI si gonfiasse e formasse geometrie convesse e concave mantenendo gli array fabbricati. Hanno quindi misurato il valore di deformazione massimo nei campioni di nanomembrane di silicio di diverso spessore utilizzando la spettroscopia Raman. Katiyar et al. hanno calcolato i diagrammi di banda dell'energia elettrica di campioni di nanomembrane di silicio spesso 10 nm a diversi valori di deformazione biassiale applicati che vanno dallo 0 al 4% per comprendere il ruolo della riduzione del bandgap nel rilevamento della luce SWIR.
Fotorisposta indotta da deformazione e caratteristiche di imaging dell'array PD fabbricato. (A) Fotografia del dispositivo array 6 × 6 Si-NM PD montato su una configurazione di test di rigonfiamento con pressione crescente (barre della scala, 1mm). Credito fotografico:Ajit K. Katiyar, Università Yonsei. (B) Fotorisposta transitoria dipendente dalla deformazione di un singolo dispositivo Si NM di 10 nm di spessore misurato sotto luce incidente di diverse lunghezze d'onda, da 405 a 1550 nm. I grafici rivelano la capacità di fotorilevamento del dispositivo Si NM spesso 10 nm oltre l'intervallo di lunghezze d'onda di fotoassorbimento del Si (da 400 a 1100 nm) sotto il ceppo applicato. Si può notare un chiaro on/off nella fotorisposta sotto la luce di 1550 nm al di sopra della deformazione biassiale applicata del 3,5%. (C) Fotografie digitali del dispositivo array Si-NM PD acquisite durante l'imaging con luci di varie lunghezze d'onda (barre di scala, 3mm). Credito fotografico:Ajit K. Katiyar, Università Yonsei. (D) Immagini corrispondenti di mappatura fotocorrente registrate sotto luce incidente di diverse lunghezze d'onda. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Il principio di funzionamento del fotorivelatore a nanomembrana di silicio (Si-NM PD)
Gli scienziati hanno esaminato la sintonizzabilità del fotorilevamento indotta da deformazione con un singolo fotorilevatore di tipo metallo-semiconduttore-metallo (MSM) progettato utilizzando una nanomembrana di silicio spessa 10 nm. Hanno calcolato la fotoresponsività per ciascuna lunghezza d'onda sotto sforzo crescente. I risultati hanno portato a supporre che l'aumento della fotoresponsività derivasse dagli effetti combinati di un maggiore assorbimento ottico e mobilità dei portatori di carica fotoindotta a ceppi elevati. In teoria il ceppo può influenzare sostanzialmente la mobilità dei portatori di carica, i dispositivi MSM hanno quindi mostrato capacità di fotorilevamento oltre il limite fondamentale di fotoassorbimento del silicio (circa 1100 nm), con maggiore applicazione della deformazione biassiale.
Panoramica del sistema di imaging ottico e delle immagini degli oggetti ottenute da array Si-NM PD 6 × 6 sotto sforzo crescente. (A) Illustrazione schematica del sistema di imaging generale e della configurazione ottica utilizzata per l'imaging della lettera Y contenente una sorgente di luce collimata, maschera d'ombra, e array di dispositivi. (B) Vista ingrandita della rappresentazione schematica per l'imaging dell'alfabeto Y. (C) Immagini di mappatura fotocorrente di una lettera rappresentativa registrata sotto luce incidente di 1310 nm con pressione crescente. È evidente un aumento della fotocorrente con l'aumento della pressione applicata, che è una conseguenza dell'aumento della deformazione in ciascun pixel Si NM. (D) Immagini fotografiche e corrispondenti immagini di mappatura acquisite degli array di pixel PD fabbricati sotto geometria emisferica convessa. Il laser viene proiettato con un angolo di incidenza di ~20° dalla normale su entrambi i lati degli array PD. Credito fotografico:Ajit K. Katiyar, Università Yonsei. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Katiyar et al. ha quindi monitorato la sintonizzabilità indotta dalla deformazione del fotorilevamento del silicio nell'intervallo di lunghezze d'onda SWIR sotto sollecitazioni crescenti. Per realizzare questo, hanno alterato la spaziatura reticolare del cristallo di silicio applicando uno sforzo per modificare o ridurre la sua struttura a bande per l'assorbimento ottico nella regione SWIR. Dopo aver confermato le funzionalità di fotorilevamento SWIR di un singolo dispositivo MSM in silicio rappresentativo, hanno ampliato l'imaging SWIR indotto da deformazione a un prototipo di array Si-NM PD 6 x 6 di architetture convesse e concave.
Dimostrazione della sintonizzazione indotta dalla deformazione e architetture convesse e concave ispirate alla bioedilizia
Per dimostrare la sintonizzazione indotta dalla deformazione e il suo effetto sul fotorilevamento, Katiyar et al. registrato un modello fotocorrente della lettera dell'alfabeto "Y", che è stato inizialmente fabbricato su un substrato di vetro sotto forma di maschera d'ombra. Dopo aver raggiunto un livello di deformazione approssimativo dell'1,8%, hanno registrato una notevole fotocorrente per visualizzare chiaramente "Y" sotto una luce SWIR a 1310 nm. All'aumentare della pressione di deformazione nella cavità del test di rigonfiamento, anche la tensione in ciascun pixel del fotodiodo è aumentata, eventualmente aumentando la progressione della fotocorrente per realizzare un'immagine ad una deformazione massima del 3,5%. Utilizzando l'approccio del rigonfiamento indotto dalla pressione, il team ha ottenuto una struttura emisferica convessa degli array di pixel Si-NM PD che sono stati anche bioispirati da occhi composti di insetti per il rilevamento della luce grandangolare.
Il filmato mostra l'imaging in tempo reale della forma a "Y" con luce a 1310 nm proiettata su un sistema array Si NM PD sottoposto a diversi livelli di deformazione. Il pannello di sinistra mostra la mappa fotocorrente in tempo reale in una scala codificata a colori normalizzata generata utilizzando i dati di output raccolti da ciascun pixel PD tramite l'unità DAQ. Il pannello di destra mostra il sistema di misurazione costituito da un dispositivo array PD montato su una configurazione di test di rigonfiamento, una luce laser a 1310 nm guidata in fibra e una scheda IR per visualizzare l'impulso laser incidente. Si può notare chiaramente che non c'è fotorisposta dai pixel PD quando sono a livello di deformazione zero. Poiché la luce è esposta sull'array PD soggetto a una deformazione biassiale massima di ~ 3,5%, è possibile realizzare una chiara forma on-off che rappresenta una "Y". Credito fotografico:Ajit K. Katiyar, Università Yonsei. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Il team ha progettato in modo simile array di pixel di fotodiodi (PD) al contrario per produrre una struttura concava. La disposizione concava dei pixel PD con geometria emisferica invertita imitava il piano focale concavo di un occhio di mammifero. Utilizzando la configurazione concava, il team ha condotto in modo simile l'imaging guidato dalla deformazione della lettera "Y" con un'esposizione alla luce di 1310 nm e diverse pressioni di deformazione. Il team ha poi registrato il modello fotocorrente della lettera "I" con la matrice di fotodiodi sotto architetture planari e concave per comprendere il vantaggio della superficie concava sull'imaging, e ha notato la lente concava per fornire una rappresentazione uniforme e più chiara della lettera "I".
In questo modo, Ajit K. Katiyar e colleghi hanno dimostrato le migliorate capacità di fotorisposta e fotorilevamento SWIR (infrarossi a lunghezza d'onda corta) del silicio dopo aver sottoposto il materiale a sollecitazioni di trazione biassiali. Hanno creato una piattaforma utilizzando sottili nanomembrane di silicio allungate meccanicamente su una configurazione di rigonfiamento per introdurre deformazioni. Hanno ridotto il bandgap ottico del silicio applicando una deformazione biassiale per rilevare i fotoni incidenti oltre il limite fondamentale di assorbimento ottico del materiale. Il team ha dimostrato la capacità di imaging utilizzando una matrice di fotodiodi metallo-semiconduttore-metallo a matrice 6 x 6 con luce SWIR. I ricercatori hanno quindi costruito geometrie che imitavano gli occhi biologici usando le forme emisferiche convesse e concave. Il lavoro ha consentito il rilevamento SWIR nel silicio tramite l'ingegneria della deformazione con applicazioni promettenti su sensori di immagine a base di silicio e fotovoltaico.
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