Los fotodiodos de silicio son dispositivos semiconductores que se utilizan comúnmente para detectar la luz visible y medir su intensidad. color y posición. El hecho de que estos dispositivos estén hechos de silicona tiene ventajas y desventajas.

Aunque el silicio se puede utilizar para desarrollar sistemas que sean más baratos y bastante fáciles de integrar con la electrónica de lectura, también evita que los fotodiodos detecten luz infrarroja cercana (NIR) e infrarroja de onda corta (SWIR). De hecho, el silicio tiene una banda prohibida de 1,12 eV, que es equivalente a una longitud de onda de 1, 100nanómetro. En última instancia, esto dificulta que los fotodiodos hechos de silicio detecten la luz NIR (en longitudes de onda de 700 a 1, 000 nanómetros) y luz SWIR (a longitudes de onda de 1, 000 a 1, 700 nanómetros).

Para superar esta limitación, Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) y el Centro de Investigación Ames de la NASA ha desarrollado recientemente un nuevo tipo de fotodiodos de silicio basados ​​en nanocables de silicio en forma de reloj de arena con modos de galería susurrantes que mejoran su fotorrespuesta en el infrarrojo cercano. Su estudio apareció en Electrónica de la naturaleza .

"El punto de partida de esta investigación fue desarrollar un fotodetector de silicio para la monitorización de potencia de equipos quirúrgicos láser utilizando un 1, Fuente de luz de 064 nanómetros (utilizada principalmente para aplicaciones oftálmicas, etc.), "Chang-Ki Baek, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore.

Inicialmente, Baek y sus colegas intentaron optimizar la absorción de 1, 064 nanómetros de longitud de onda de luz al cambiar el diámetro y la altura de las estructuras de nanocables de silicio (SiNW) en forma de cono invertido que su laboratorio había desarrollado previamente. Para hacer esto, ajustaron la proporción de gas de grabado y el tiempo de grabado de un HBr HBr / Cl ₂ / O ₂ mezcla.

Esto llevó a la aparición inesperada de la primera matriz SiNW en forma de reloj de arena en ciertos O ₂ condiciones del gas. En su investigación anterior, los investigadores observaron dos propiedades ópticas clave de las estructuras de SiNW en forma de cono:una absorción de luz creciente en las estructuras en forma de cono invertido como resultado de su resonancia, y una reflectancia superficial decreciente en estructuras regulares en forma de cono debido a su coincidencia de índice de refracción.

"Dado que el SiNW en forma de reloj de arena tiene las ventajas de estructuras cónicas tanto invertidas como rectas, Predijimos que la aplicación de una matriz SiNW en forma de reloj de arena al fotodiodo mejoraría la detección del infrarrojo cercano, ", Dijo Baek." En simulaciones y experimentos TCAD, verificamos la mejora de la detección del infrarrojo cercano con el fotodiodo fabricado. Como resultado, nuestro fotodiodo SiNW con forma de reloj de arena se puede expresar como una idea descubierta involuntariamente durante el diseño de un proceso de grabado ".

El dispositivo propuesto por los investigadores es el tipo más básico de fotodiodo de unión PN. Se fabricó empleando métodos que se utilizan comúnmente para fabricar semiconductores de silicio, como la deposición, grabando, fotolitografía, oxidación y metalización.

"El principio de funcionamiento de los fotodiodos de unión PN es el siguiente:los pares de huecos de electrones (EHP) se generan en la región de agotamiento cuando incide una fuente de luz con una energía mayor que la banda prohibida del silicio, "Baek explicó." Dado que los EHP están separados en los electrodos superior e inferior por el campo eléctrico interno, se genera la fotocorriente ".

Al fabricar el fotodiodo, los investigadores utilizaron una unión PN radial que maximiza los beneficios de absorción de luz de una unión PN plana mediante la aplicación de una matriz de SiNW en forma de reloj de arena. La matriz SiNW vertical en el dispositivo tiene un área de superficie más grande que los tipos de matrices planas. Además, puede reabsorber la luz primaria de los nanocables que lo rodean, lo que reduce significativamente su reflectancia superficial.

"Dado que la ruta de absorción de la fuente de luz y el electrón está separada en el SiNW, la ruta de absorción del electrón puede limitarse al diámetro del SiNW. que puede reducir la recombinación de electrones cuando el infrarrojo cercano que tiene una longitud de absorción larga es perpendicular al SiNW, generando así una gran fotocorriente, ", Dijo Baek." Estos son los méritos de la matriz SiNW básica y la unión PN radial ".

Dos ventajas más de las matrices SiNW en forma de reloj de arena diseñadas por los investigadores son su resonancia y su coincidencia de índice de refracción. De hecho, la disposición cónica de la estructura superior en forma de cono invertido permite una resonancia en modo de galería susurrante. Esto significa que una fuente de luz se absorbe al girar alrededor de la superficie del nanoalambre, mejorando así la vía de absorción de la luz.

"En la estructura inferior en forma de cono, cuanto menor sea el diámetro, cuanto más similar al índice de refracción del aire, por lo que la reflectancia de la superficie es mucho menor que la del silicio a granel. Por lo tanto, puede absorber eficazmente la fuente de luz reflejada o transmitida de su parte superior, "Dijo Baek." Como resultado, un fotodiodo de SiNW con forma de reloj de arena puede absorber eficazmente el infrarrojo cercano debido a su baja reflectancia superficial y su larga duración de absorción de luz eficaz ".

El fotodiodo SiNW con forma de reloj de arena desarrollado por Baek y sus colegas permite una mejor absorción de la luz infrarroja cercana, lo que hasta ahora ha resultado muy difícil de absorber para los fotodiodos de silicio con una forma más convencional. La tecnología de detección de infrarrojos cercanos puede tener una variedad de aplicaciones, por ejemplo, en tecnología LiDAR autónoma, Equipo medico, herramientas de defensa, y sensores de tiempo de vuelo (TOF).

"Todos los fotodiodos de SiNW con forma de reloj de arena se pueden fabricar utilizando los procesos descendentes de silicio existentes, que permite una producción en masa de bajo coste y una reproducibilidad de alto rendimiento, "Baek dijo." En otras palabras, esta tecnología es de gran valor por su potencial de comercialización ".

En el futuro, el fotodiodo de silicio en forma de reloj de arena podría permitir el desarrollo de dispositivos de detección del infrarrojo cercano para varios propósitos. En su estudio, por ejemplo, los investigadores utilizaron el fotodiodo para crear un sistema de medición de la frecuencia cardíaca que logró un rendimiento comparable al logrado por las herramientas disponibles comercialmente.

"La investigación científica básica es importante, por supuesto, pero como ingeniero, Creo que lo más importante es realizar investigaciones que puedan ayudar a las personas en la vida real, "Dijo Baek." Actualmente, estamos planeando dos proyectos de investigación basados ​​en nuestra experiencia en el desarrollo de fotodiodos ".

Durante los próximos meses, Baek y sus colegas esperan usar el fotodiodo que desarrollaron para crear un sensor TOF compacto y de bajo costo, un tipo de dispositivo sensor que se usa ampliamente en vehículos autónomos. Además, planean comenzar a trabajar con empresas de ingeniería electrónica para mejorar la sensibilidad de los módulos de sensores de imagen CMOS (CIS), que se utilizan para fabricar numerosos dispositivos electrónicos, incluidos los teléfonos inteligentes.

"Un estudio reciente descubrió que el módulo CIS con detección mejorada del infrarrojo cercano produce mejores imágenes, "Dijo Baek." Con el mismo contexto, Creemos que nuestro conocimiento del desarrollo de fotodiodos puede ayudar a mejorar la detección de infrarrojos cercanos de los módulos CIS, mejorando así la calidad de la imagen o vídeo adquirido ".

© 2019 Science X Network