Kiselfotodioder är halvledarenheter som vanligtvis används för att detektera synligt ljus och mäta dess intensitet, färg och position. Det faktum att dessa enheter är gjorda av kisel har både fördelar och nackdelar.

Även om kisel kan användas för att utveckla system som är billigare och ganska lätta att integrera med avläsningselektronik, det förhindrar också fotodioder från att upptäcka nära-infrarött (NIR) och kortvågigt infrarött (SWIR) ljus. Faktiskt, kisel har ett bandgap på 1,12 eV, vilket motsvarar en våglängd på 1, 100 nanometer. Detta gör det i slutändan svårt för fotodioder gjorda av kisel att detektera NIR-ljus (vid våglängder på 700 till 1, 000 nanometer) och SWIR -ljus (vid våglängderna 1, 000 till 1, 700 nanometer).

För att övervinna denna begränsning, ett team av forskare vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) och NASA Ames Research Center har nyligen utvecklat en ny typ av kiselfotodioder baserade på timglasformade kiselnanotrådar med viskande gallerilägen som förbättrar deras nära-infraröda fotorespons. Deras studie presenterades i Naturelektronik .

"Utgångspunkten för denna forskning var att utveckla en kiselfotodetektor för effektövervakning av laserkirurgisk utrustning med hjälp av en 1, 064-nanometer ljuskälla (används främst för oftalmiska tillämpningar, etc.), "Chang-Ki Baek, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore.

Initialt, Baek och hans kollegor försökte optimera absorptionen av 1, 064-nanometer våglängdsljus genom att ändra diametern och höjden på strukturer av inverterad konformad kiselnanowire (SiNW) som deras labb hade utvecklat tidigare. Att göra detta, de justerade etsgasförhållandet och etsningstiden för en HBr HBr/Cl ₂ / O ₂ blandning.

Detta ledde till det oväntade utseendet av den första timglasformade SiNW-arrayen i vissa O ₂ gasförhållanden. I deras tidigare forskning, forskarna observerade två viktiga optiska egenskaper hos konformade SiNW-strukturer:en ökande ljusabsorption i inverterade konformade strukturer till följd av deras resonans, och en minskande ytreflektans i regelbundna konformade strukturer på grund av deras brytningsindexmatchning.

"Eftersom den timglasformade SiNW har fördelarna med både inverterade och raka konformade strukturer, vi förutspådde att applicering av en timglasformad SiNW-array på fotodiod skulle förbättra den nära-infraröda detektionen, ", sa Baek. "I TCAD-simuleringar och experiment, vi verifierade förbättringen av nära-infraröd detektion med den tillverkade fotodioden. Som ett resultat, vår timglasformade SiNW-fotodiod kan uttryckas som en oavsiktligt upptäckt idé under utformningen av en etsningsprocess. "

Den enhet som föreslagits av forskarna är den mest grundläggande typen av PN-övergångsfotodiod. Den tillverkades med metoder som vanligtvis används för att tillverka kiselhalvledare, såsom avsättning, etsning, fotolitografi, oxidation och metallisering.

"Arbetsprincipen för PN-övergångsfotodioder är som följer:elektron-hål-par (EHP) genereras i utarmningsområdet när en ljuskälla med energi större än kiselbandgapet infaller, ", förklarade Baek. "Eftersom EHP är separerade i de övre och nedre elektroderna av det interna elektriska fältet, fotoström genereras."

När man tillverkar fotodioden, forskarna använde en radiell PN-övergång som maximerar ljusabsorptionsfördelarna med en plan PN-övergång genom att applicera en timglasformad uppsättning av SiNW. Den vertikala SiNW-matrisen i enheten har en större yta än plana typer av matriser. Dessutom, den kan återabsorbera primärljus från nanotrådarna som omger den, vilket avsevärt minskar dess ytreflektans.

"Eftersom absorptionsvägen för ljuskällan och elektronen är separerade i SiNW, absorptionsvägen för elektronen kan begränsas till diametern av SiNW. som kan minska elektronrekombinationen när nära-infrarött med lång absorptionslängd faller in vinkelrätt mot SiNW, därigenom genererar en stor fotoström, "Baek sa." Detta är fördelarna med den grundläggande SiNW -matrisen och den radiella PN -korsningen. "

Ytterligare två fördelar med de timglasformade SiNW-matriserna som forskarna tagit fram är deras resonans- och brytningsindexmatchning. Faktiskt, det avsmalnande arrangemanget av den övre inverterade konformade strukturen möjliggör viskande galleri-resonans. Detta innebär att en ljuskälla absorberas genom att rotera runt nanotrådens yta, därigenom förbättrar ljusabsorptionsbanan.

"I den nedre konformade strukturen, ju mindre diameter, desto mer liknar luftens brytningsindex, så ytreflektansen är mycket lägre än för bulkkisel. Därför, den kan effektivt absorbera den reflekterade eller transmitterade ljuskällan från dess övre del, " sa Baek. "Som ett resultat, en timglasformad SiNW-fotodiod kan effektivt absorbera nära-infrarött på grund av deras låga ytreflektans och långa effektiva ljusabsorptionslängd."

Den timglasformade SiNW-fotodioden som utvecklats av Baek och hans kollegor möjliggör bättre absorption av nära-infrarött ljus, vilket hittills har visat sig vara mycket svårt för kiselfotodioder med mer konventionell form att absorbera. Nära-infraröd avkänningsteknik kan ha en mängd olika tillämpningar, till exempel, i självkörande LiDAR-teknik, medicinsk utrustning, försvarsverktyg, och tid-of-flight (TOF) sensorer.

"Alla timglasformade SiNW-fotodioder kan tillverkas med befintliga kisel-top-down-processer, som möjliggör låg kostnad massproduktion och hög prestanda reproducerbarhet, " sa Baek. "Med andra ord, denna teknik är av stort värde för sin kommersialiseringspotential. "

I framtiden, den timglasformade kiselfotodioden kan möjliggöra utvecklingen av nära-infraröda avkänningsenheter för flera ändamål. I deras studie, till exempel, forskarna använde fotodioden för att skapa ett hjärtfrekvensmätningssystem som uppnådde en prestanda som var jämförbar med den som uppnås med kommersiellt tillgängliga verktyg.

"Grundläggande vetenskaplig forskning är viktig, självklart, men som ingenjör, Jag tror att det viktigaste är att göra forskning som kan hjälpa människor i verkligheten, " sa Baek. "För närvarande, vi planerar två forskningsprojekt baserat på vår erfarenhet av fotodiodutveckling."

Under de närmaste månaderna, Baek och hans kollegor hoppas kunna använda fotodioden de utvecklade för att skapa en billig och kompakt TOF-sensor, en typ av avkänningsanordning som används flitigt i självkörande fordon. Dessutom, de planerar att börja arbeta med elektronikföretag för att förbättra CMOS -bildsensorns (CIS) modulers känslighet, som används för att tillverka många elektroniska enheter, inklusive smartphones.

"En nyligen genomförd studie fann att CIS-modulen med förbättrad nära-infraröd detektering ger bättre bilder, " sa Baek. "Med samma sammanhang, vi tror att vår kunskap om fotodiodutveckling kan hjälpa till att förbättra den nära-infraröda detekteringen av CIS-modulerna, vilket förbättrar kvaliteten på den förvärvade bilden eller videon."

© 2019 Science X Network