Fabricación de dispositivos de matriz de 6 × 6 Si NM para DP extensible con control de deformación. (A) Ilustración esquemática de la fabricación del dispositivo. RIE, grabado con iones reactivos. (B) Fotografía de un dispositivo fabricado en un sustrato de SiO2 / Si recubierto de PI y la correspondiente vista ampliada de las secciones del dispositivo. (C) Imágenes SEM de forma hemisférica convexa (superior) y cóncava (inferior) de película de PI abultada que contiene una matriz de PD de 6 × 6 Si-NM. Barras de escala, 0,5 mm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
El silicio se usa ampliamente en la industria de la microelectrónica, aunque sus aplicaciones fotónicas están restringidas al rango espectral visible y parcial del infrarrojo cercano debido a su banda prohibida óptica fundamental. Por lo tanto, los investigadores han utilizado los avances recientes en la ingeniería de deformaciones para adaptar las propiedades del material, incluyendo la banda prohibida óptica. En un estudio reciente ahora publicado en Avances de la ciencia , Ajit K. Katiyar y un grupo de científicos en ingeniería electrónica y ciencia de los materiales en la República de Corea, informó de la contracción inducida por deformación en la banda prohibida del silicio (Si). El proceso facilitó la fotosensibilidad más allá del límite fundamental dentro de los fotodetectores de nanomembrana de silicio (abreviado Si-NM PD). El equipo estiró mecánicamente los píxeles de Si-NM PD utilizando una tensión máxima del 3,5% para mejorar la fotorreactividad y extendió el límite de absorción de silicio hasta 1550 nm con aplicaciones adecuadas para sensores lidar y detección de obstáculos durante la conducción autónoma. Luego desarrollaron un marco optoelectrónico tridimensional (3-D) deformable con arquitecturas hemisféricas cóncavas y convexas para prototipos electrónicos que muestran detección de luz de gran angular, bioinspirado por los ojos biológicos de los insectos.
Dispositivos optoelectrónicos
Dispositivos optoelectrónicos flexibles y flexibles de bajo costo que incluyen sistemas de imágenes bioinspirados, Los fotodetectores y las células fotovoltaicas pueden funcionar bajo la longitud de onda del infrarrojo cercano (NIR) a temperatura ambiente. Los fotodetectores que pueden detectar el rango espectral de infrarrojos de longitud de onda corta (SWIR) de 1300 a 2000 nm tienen una gran demanda para los sensores lidar y para su uso en vehículos autónomos. Los dispositivos Lidar proporcionan una vista autónoma de 360 grados de los objetos circundantes para que funcionen como un ojo del vehículo sin conductor. Dado que la luz de alta potencia de la longitud de onda ultravioleta-NIR puede dañar la retina del ojo humano, La luz SWIR es fundamental para el sistema lidar. Las reivindicaciones teóricas sugieren que la estructura de la banda de silicio puede modificarse sustancialmente bajo la influencia de la deformación por compresión o tracción; por lo tanto, Los científicos de materiales han utilizado el silicio como un bloque de construcción básico en una variedad de aplicaciones fotónicas. Por ejemplo, una banda prohibida óptica reducida puede capturar fotones con energías menores que la brecha fundamental del silicio para aumentar la movilidad del portador. Katiyar y col. por lo tanto, aplicó tensión de tracción biaxial sobre la red de Si e informó que su fotorrespuesta estaba mucho más allá del límite de banda prohibida óptica del material.
Características de deformación y fotodetección de un solo dispositivo MSM fabricado en Si NM de 20 μm por 20 μm de tamaño de 10 nm de espesor y cálculo teórico de la estructura de la banda electrónica. (A) Espectros Raman de muestra de Si NM de 10 nm de espesor registrados con presión creciente. Los espectros muestran la mejora de la intensidad de la dispersión Raman y el desplazamiento de la posición del pico hacia el lado del número de onda inferior al aumentar la presión. a.u., unidades arbitrarias. (B) Valor máximo de deformación biaxial aplicada en Si NM de diferentes espesores a través del proceso de abombamiento justo antes de la fractura. El recuadro muestra el Si NM antes (abajo a la izquierda) y después de la fractura (arriba a la derecha). (C) Estructura de banda electrónica dependiente de la deformación de Si NM de 10 nm de espesor con una deformación biaxial aplicada de hasta el 4%. (D) Representación esquemática de disposiciones atómicas de Si NM de ~ 10 nm de espesor utilizadas en el cálculo teórico. (E) Valores de banda prohibida de diferentes transiciones extraídas del diagrama de bandas de energía calculado para una muestra de Si NM de 10 nm de espesor sometida a una deformación por tracción biaxial creciente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
Desarrollo y caracterización del dispositivo de imágenes SWIR
Para demostrar la capacidad de generación de imágenes SWIR, El equipo fabricó matrices de fotodetectores de tipo metal-semiconductor-metal (MSM) en nanomembranas de silicio ultrafinas sobre un sustrato de polímero delgado. La configuración les ayudó a realizar tecnologías de imágenes como sensores lidar y sistemas de imágenes bioinspirados. Los científicos modelaron la matriz de la matriz de fotodiodos objetivo utilizando fotolitografía y transfirieron las construcciones a una película de poliimida (PI) y aumentaron la presión dentro de la cavidad del soporte de la muestra para que la película PI se abulte y forme geometrías convexas y cóncavas mientras se mantienen las matrices fabricadas. Luego midieron el valor de deformación máxima en las muestras de nanomembrana de silicio de diferentes espesores utilizando espectroscopía Raman. Katiyar y col. calculó los diagramas de bandas de energía eléctrica de muestras de nanomembrana de silicio de 10 nm de espesor a diferentes valores de deformación biaxial aplicados que van del 0 al 4% para comprender el papel de la reducción de la banda prohibida en la detección de luz SWIR.
Fotorrespuesta inducida por deformación y características de imagen de la matriz de DP fabricada. (A) Fotografía del dispositivo de matriz de DP de 6 × 6 Si-NM montado en una configuración de prueba de abombamiento con presión creciente (barras de escala, 1 mm). Crédito de la foto:Ajit K. Katiyar, Universidad de Yonsei. (B) Fotorrespuesta transitoria dependiente de la deformación de un solo dispositivo Si NM de 10 nm de espesor medida bajo luz incidente de diferentes longitudes de onda, de 405 a 1550 nm. Los gráficos revelan la capacidad de fotosensibilidad del dispositivo Si NM de 10 nm de espesor más allá del rango de longitud de onda de fotoabsorción de Si (400 a 1100 nm) bajo la tensión aplicada. Se puede notar un encendido / apagado claro en la fotorrespuesta bajo la luz de 1550 nm por encima de la tensión biaxial aplicada al 3,5%. (C) Fotografías digitales del dispositivo de matriz Si-NM PD capturadas durante la obtención de imágenes con luces de varias longitudes de onda (barras de escala, 3 mm). Crédito de la foto:Ajit K. Katiyar, Universidad de Yonsei. (D) Imágenes de mapeo de fotocorriente correspondientes registradas bajo luz incidente de diferentes longitudes de onda. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
El principio de funcionamiento del fotodetector de nanomembrana de silicio (Si-NM PD)
Los científicos examinaron la sintonización fotosensible inducida por tensión con un único fotodetector de tipo metal-semiconductor-metal (MSM) diseñado utilizando una nanomembrana de silicio de 10 nm de espesor. Calcularon la fotorreactividad para cada longitud de onda bajo tensión creciente. Los resultados llevaron a la suposición de que el aumento de la fotorreactividad era el resultado de los efectos combinados de la absorción óptica mejorada y la movilidad del portador de carga fotoinducida a tensiones elevadas. En teoría, la deformación puede influir sustancialmente en la movilidad de los portadores de carga, Por lo tanto, los dispositivos MSM mostraron capacidades de fotosensibilidad más allá del límite de fotoabsorción fundamental del silicio (aproximadamente 1100 nm), con mayor aplicación de tensión biaxial.
Descripción general del sistema de imágenes ópticas y las imágenes de objetos obtenidas a partir de una matriz de DP de 6 × 6 Si-NM bajo una tensión creciente. (A) Ilustración esquemática del sistema de imágenes general y la configuración óptica utilizada para obtener imágenes de la letra Y que contiene una fuente de luz colimada, máscara de sombra, y matriz de dispositivos. (B) Vista ampliada de la representación esquemática para la formación de imágenes del alfabeto Y. (C) Imágenes de mapeo de fotocorriente de una letra representativa registrada bajo luz incidente de 1310 nm con presión de esfuerzo creciente. Es evidente un aumento de la fotocorriente con el aumento de la presión aplicada, que es una consecuencia del aumento de tensión en cada píxel de Si NM. (D) Imágenes fotográficas y las imágenes de mapeo adquiridas correspondientes de las matrices de píxeles PD fabricadas bajo geometría hemisférica convexa. El láser se proyecta en un ángulo de incidencia de ~ 20 ° de la normal en ambos lados de las matrices de DP. Crédito de la foto:Ajit K. Katiyar, Universidad de Yonsei. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
Katiyar y col. luego monitoreó la sintonización inducida por deformación de la fotodetección de silicio en el rango de longitud de onda SWIR bajo tensiones crecientes. Para lograr esto, alteraron el espaciado reticular del cristal de silicio aplicando tensión para modificar o reducir su estructura de banda para la absorción óptica en la región SWIR. Después de confirmar las características de fotosensibilidad SWIR de un dispositivo MSM de silicio único representativo, expandieron sus imágenes SWIR inducidas por deformaciones a un prototipo de matriz de PD de 6 x 6 Si-NM de arquitecturas convexas y cóncavas.
Demostración de la sintonización inducida por deformación y arquitecturas convexas y cóncavas bioinspiradas
Para demostrar la sintonización inducida por deformación y su efecto sobre la fotosensibilidad, Katiyar y col. registró un patrón de fotocorriente de la letra del alfabeto 'Y', que se fabricó por primera vez sobre un sustrato de vidrio en forma de máscara de sombra. Después de alcanzar un nivel de deformación aproximado del 1.8%, registraron una fotocorriente notable para obtener una imagen clara de 'Y' bajo una luz SWIR de 1310 nm. A medida que aumentaba la presión de deformación en la cavidad de prueba de abultamiento, la tensión en cada píxel del fotodiodo también aumentó, aumentando eventualmente la progresión de la fotocorriente para realizar una imagen con una deformación máxima del 3,5%. Usando el enfoque de abultamiento inducido por presión, El equipo logró una estructura hemisférica convexa de las matrices de píxeles Si-NM PD que también fueron bioinspiradas por ojos compuestos de insectos para la detección de luz de gran angular.
El clip de película muestra imágenes en tiempo real de la forma de "Y" con luz de 1310 nm proyectada en un sistema de matriz Si NM PD sometido a diferentes niveles de tensión. El panel izquierdo muestra el mapa de fotocorriente en tiempo real en una escala codificada por colores normalizada generada utilizando los datos de salida recopilados de cada píxel de PD a través de la unidad DAQ. El panel derecho muestra el sistema de medición que consta de un dispositivo de matriz de DP montado en una configuración de prueba de abombamiento, una luz láser de 1310 nm guiada por fibra y una tarjeta de infrarrojos para visualizar el pulso de láser incidente. Se puede notar claramente que no hay respuesta fotográfica de los píxeles de PD cuando están en un nivel de deformación cero. A medida que la luz se expone a la matriz de DP sometida a una deformación biaxial máxima de ~ 3,5%, se puede realizar un encendido-apagado claro que representa la forma de "Y". Crédito de la foto:Ajit K. Katiyar, Universidad de Yonsei. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
El equipo diseñó de manera similar matrices de píxeles de fotodiodos (PD) a la inversa para producir una estructura cóncava. La disposición cóncava de píxeles PD con geometría hemisférica invertida imita el plano focal cóncavo de un ojo de mamífero. Usando la configuración cóncava, El equipo realizó de manera similar imágenes de la letra "Y" impulsadas por la tensión bajo una exposición a la luz de 1310 nm y diferentes presiones de tensión. A continuación, el equipo registró el patrón de fotocorriente de la letra 'I' con la matriz de fotodiodos bajo arquitecturas planas y cóncavas para comprender la ventaja de la superficie cóncava en las imágenes. y señaló la lente cóncava para proporcionar una representación uniforme y más clara de la letra "I".
De este modo, Ajit K. Katiyar y sus colegas demostraron la fotorrespuesta mejorada y las capacidades de fotosensibilidad SWIR (infrarrojos de longitud de onda corta) del silicio después de someter el material a tensiones de tracción biaxiales. Crearon una plataforma utilizando delgadas nanomembranas de silicio estiradas mecánicamente en una configuración abultada para introducir tensiones. Redujeron la banda prohibida óptica del silicio aplicando tensión biaxial para detectar fotones incidentes más allá del límite de absorción óptica fundamental del material. El equipo demostró la capacidad de generación de imágenes utilizando una matriz de fotodiodos de metal-semiconductor-metal de matriz de 6 x 6 con luz SWIR. Luego, los investigadores construyeron geometrías que imitaban los ojos biológicos utilizando las formas hemisféricas convexas y cóncavas. El trabajo permitió la detección SWIR en silicio mediante ingeniería de deformación con aplicaciones prometedoras en sensores de imagen basados en silicio y fotovoltaica.
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