Tillverkning av 6 × 6 Si NM-arrayenheter för stamstyrd stretchbar PD. (A) Schematisk illustration av enhetstillverkning. RIE, reaktiv jonetsning. (B) Fotografi av en tillverkad enhet på PI-belagt SiO2/Si-substrat och motsvarande förstorad vy av enhetssektioner. (C) SEM-bilder av konvexa (övre) och konkava (nedre) halvklotform av utbuktad PI-film som innehåller en 6 × 6 Si-NM PD-array. Skalstänger, 0,5 mm. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Kisel används ofta i mikroelektronikindustrin även om dess fotonikapplikationer är begränsade till det synliga och partiella nära infraröda spektralområdet på grund av dess grundläggande optiska bandgap. Forskare har därför använt de senaste framstegen inom stamteknik för att skräddarsy materialegenskaper, inklusive det optiska bandgapet. I en ny studie som nu publicerats den Vetenskapliga framsteg , Ajit K. Katiyar och en grupp forskare inom elektronisk teknik och materialvetenskap i Republiken Korea, rapporterade staminducerad krympning i kisel (Si) bandgap. Processen underlättade fotosensering bortom den grundläggande gränsen inom kiselnanomembranfotodetektorer (förkortat Si-NM PD). Teamet sträckte mekaniskt Si-NM PD-pixlarna med en maximal belastning på 3,5% för att förbättra fotoresponsiviteten och förlängde kiselabsorptionsgränsen upp till 1550 nm med applikationer som lämpar sig för lidarsensorer och hinderdetektering under självkörning. De utvecklade sedan ett deformerbart tredimensionellt (3-D) optoelektroniskt ramverk med konkava och konvexa halvklotformade arkitekturer för elektroniska prototyper som visar vidvinkelljusdetektering, bioinspirerad av insekternas biologiska ögon.
Optoelektroniska enheter
Billiga flexibla och böjbara optoelektroniska enheter inklusive bioinspirerade bildsystem, fotodetektorer och fotovoltaiska celler kan fungera under nära-infrarött (NIR) våglängd vid rumstemperatur. Fotodetektorer som kan detektera det kortvågiga infraröda (SWIR) spektralområdet från 1300 till 2000 nm är mycket efterfrågade för lidarsensorer och för användning i självkörande fordon. Lidar -enheter ger en autonom vy över 360 grader av omgivande föremål för att fungera som ett öga på det förarlösa fordonet. Eftersom högeffektljuset med ultraviolett-NIR-våglängd kan skada näthinnan i det mänskliga ögat, SWIR -ljus är grundläggande för lidarsystemet. Teoretiska påståenden tyder på att kiselbandets struktur kan väsentligen modifieras under påverkan av tryck- eller dragkraft; därför, materialforskare har använt kisel som en grundläggande byggsten i en mängd olika fotoniska tillämpningar. Till exempel, en minskad optisk bandgap kan fånga fotoner med energier mindre än kiselns grundgap för ökad mobilitet. Katiyar et al. applicerade därför biaxial draghållfasthet på Si -gallret och rapporterade att deras fotorespons var långt över materialets optiska bandgapgräns.
Töjnings- och fotodetekteringsegenskaper hos en enda MSM-enhet tillverkad på 20 μm med 20 μm stor 10 nm tjock Si NM och teoretisk beräkning av elektronisk bandstruktur. (A) Raman-spektra av 10 nm tjockt Si NM-prov inspelat med ökande tryck. Spektren visar förbättringen av Ramans spridningsintensitet och topplägesförskjutning mot den lägre vågnummersidan med ökande tryck. a.u., godtyckliga enheter. (B) Maximalt applicerat biaxialt stamvärde i Si NM med olika tjocklekar via utbuktningsprocessen strax före fraktur. Insatsen visar Si NM före (nedre vänster) och efter fraktur (högst upp till höger). (C) Stamberoende elektronisk bandstruktur med 10 nm tjockt Si NM med en applicerad biaxial stam på upp till 4%. (D) Schematisk representation av atomarrangemang av ~ 10 nm tjockt Si NM som används i teoretisk beräkning. (E) Bandgap-värden för olika övergångar extraherade från det beräknade energibanddiagrammet för 10 nm tjockt Si NM-prov utsatt för ökande biaxial draghållfasthet. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Utveckla och karakterisera SWIR -bildenheten
För att demonstrera SWIR -bildförmågan, laget tillverkade fotodetektormatriser av metall-halvledarmetall (MSM) på ultratunna kisel-nanomembraner på ett tunt polymersubstrat. Upplägget hjälpte dem att förverkliga bildteknik som lidarsensorer och bioinspirerade bildsystem. Forskarna mönstrade målfotodiodmatrisen med hjälp av fotolitografi och överförde konstruktionerna till en polyimidfilm (PI) och ökade trycket inuti provhållarhålan för att PI -filmen skulle bukta ut och bilda konvexa och konkava geometrier samtidigt som de tillverkade matriserna bibehölls. De mätte sedan det maximala töjningsvärdet i kisel -nanomembranproverna av olika tjocklek med Ramans spektroskopi. Katiyar et al. beräknade de elektriska energibanddiagrammen för 10-nm-tjocka kisel-nanomembranprover vid olika tillämpade biaxiella stamvärden från 0 till 4% för att förstå rollen för bandgapreduktionen vid SWIR-ljusdetektering.
Staminducerad fotorespons och avbildningsegenskaper hos tillverkad PD-array. (A) Foto av 6 × 6 Si-NM PD-arrayenheten monterad på utbuktningstestinställningar med ökande tryck (skalbarer, 1 mm). Fotokredit:Ajit K. Katiyar, Yonsei universitet. (B) Stamberoende övergående fotorespons av en enda 10 nm tjock Si NM-enhet mätt under infallande ljus med olika våglängder, från 405 till 1550 nm. Plottarna avslöjar fotosenseringskapaciteten för den 10 nm tjocka Si NM-enheten bortom Si-fotoabsorptionsvåglängdsområdet (400 till 1100 nm) under den applicerade stammen. En tydlig på/av i fotorespons kan märkas under 1550 nm ljuset över den 3,5% applicerade biaxiala stammen. (C) Digitala fotografier av Si-NM PD-arrayenheten som tagits under avbildning med ljus med olika våglängder (skalstaplar, 3 mm). Fotokredit:Ajit K. Katiyar, Yonsei universitet. (D) Motsvarande fotoströmmappningsbilder som spelats in under infallande ljus med olika våglängder. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Arbetsprincipen för kiselnanomembranfotodetektorn (Si-NM PD)
Forskarna undersökte belastningsinducerad fotosensibilitet med en enda metall-halvledarmetall- (MSM) -fotodetektor konstruerad med en 10 nm tjock kisel-nanomembran. De beräknade fotoresponsiviteten för varje våglängd under ökande belastning. Resultaten ledde till antagandet att den ökade fotoresponsiviteten berodde på kombinerade effekter av förbättrad optisk absorption och fotoinducerad laddningsbärarmobilitet vid förhöjda stammar. I teorin kan stammen väsentligt påverka mobiliteten hos laddningsbärare, MSM -enheterna visade därför fotosensoreringsmöjligheter bortom den grundläggande gränsen för fotoabsorption för kisel (ungefär 1100 nm), med ökad applicering av biaxial stam.
Översikt över optiskt bildsystem och objektbilder erhållna från 6 × 6 Si-NM PD-array under ökad belastning. (A) Schematisk illustration av det övergripande bildsystemet och den optiska inställningen som används för avbildning av bokstaven Y som innehåller en kollimerad ljuskälla, skuggmask, och enhetsmatris. (B) Förstorad vy av den schematiska representationen för avbildning av Y -alfabetet. (C) Fotoströmmande kartläggning av bilder av ett representativt brev inspelat under infallande ljus på 1310 nm med ökande ansträngningstryck. En ökning av fotoströmmen med ökat applicerat tryck är uppenbart, vilket är en följd av den ökade belastningen i varje Si NM -pixel. (D) fotografiska bilder och motsvarande förvärvade mappningsbilder av de tillverkade PD -pixlarna under konvex hemisfärisk geometri. Lasern projiceras i en infallsvinkel på ~ 20 ° från det normala på båda sidor av PD -matriserna. Fotokredit:Ajit K. Katiyar, Yonsei universitet. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Katiyar et al. övervakade sedan den staminducerade avstämbarheten för fotodetektering av kisel i SWIR-våglängdsområdet under ökande stammar. För att åstadkomma detta, de ändrade gitteravståndet mellan kiselkristallen genom att applicera stam för att modifiera eller minska dess bandstruktur för optisk absorption i SWIR -regionen. Efter att ha bekräftat SWIR -fotograferingsfunktioner för en representativ enda kisel MSM -enhet, de utökade sin staminducerade SWIR-avbildning till en 6 x 6 Si-NM PD-array-prototyp av konvexa och konkava arkitekturer.
Demonstrerar staminducerad tuning och bioinspirerade konvexa och konkava arkitekturer
För att demonstrera staminducerad inställning och dess effekt på fotosensering, Katiyar et al. spelade in ett fotoströmsmönster av alfabetet bokstaven 'Y', som först tillverkades på ett glasunderlag i form av en skuggmask. Efter att ha nått en ungefärlig belastningsnivå på 1,8%, de spelade in en märkbar fotoström för att tydligt avbilda 'Y' under ett 1310-nm SWIR-ljus. När töjningstrycket i utbuktningstesthålan ökade, belastningen i varje fotodiodpixel ökade också, så småningom ökar fotströmmens utveckling för att förverkliga en bild med en maximal belastning på 3,5%. Med hjälp av det tryckinducerade utbuktningsmetoden, laget uppnådde en konvex halvklotformad struktur av Si-NM PD-pixlarna som också var bioinspirerade av sammansatta ögon av insekter för vidvinkelljusdetektering.
Filmklipp visar realtidsavbildning av "Y" -formen med 1310 nm ljus som projiceras på ett Si NM PD -array -system som utsätts för olika töjningsnivåer. Vänster panel visar realtidens fotoströmskarta i en normaliserad färgkodad skala som genereras med hjälp av utdata som samlats in från varje PD-pixel via DAQ-enheten. Höger panel visar mätsystemet som består av en PD -arrayenhet monterad på utbuktningstestinställningar, ett fiberstyrt 1310 nm laserljus och ett IR -kort för att visualisera den infallande laserpulsen. Det kan tydligt märkas att det inte finns något fotorespons från PD -pixlarna när de är på noll töjningsnivå. När ljuset exponeras på PD -arrayen utsatt för en maximal biaxial stam på ~ 3,5%, en tydlig tändning som representerar "Y" -form kan realiseras. Fotokredit:Ajit K. Katiyar, Yonsei universitet. Upphovsman:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Teamet konstruerade på samma sätt fotodiod (PD) pixeluppsättningar i omvänd ordning för att producera en konkav struktur. Det konkava arrangemanget av PD -pixlar med inverterad halvklotformig geometri efterliknade det konkava fokalplanet hos ett däggdjuröga. Med den konkava inställningen, teamet utförde på samma sätt stamdriven avbildning av bokstaven 'Y' under 1310 nm ljusexponering och olika påfrestningstryck. Teamet spelade sedan in fotoströmmönstret för bokstaven 'I' med fotodiodmatrismatrisen under plana och konkava arkitekturer för att förstå fördelen med den konkava ytan vid avbildning, och noterade den konkava linsen för att ge en enhetlig och tydligare representation av bokstaven "I".
På det här sättet, Ajit K. Katiyar och kollegor demonstrerade den förbättrade fotoresponsen och SWIR (kortvåglängds infraröd) fotosenseringskapacitet för kisel efter att ha utsatt materialet för biaxiala dragstammar. De skapade en plattform med tunna kisel -nanomembraner som mekaniskt sträcktes på en utbuktning för att introducera stammar. De minskade den optiska bandgapet för kisel genom att applicera biaxial stam för att detektera infallande fotoner bortom materialets grundläggande optiska absorptionsgräns. Teamet demonstrerade bildförmågan med hjälp av en 6 x 6 matrismetall-halvledarmetall-fotodiodmatris med SWIR-ljus. Forskarna konstruerade sedan geometrier som efterliknade biologiska ögon med hjälp av de halvklotformiga konvexa och konkava formerna. Arbetet möjliggjorde SWIR-avkänning i kisel via stamkonstruktion med lovande applikationer över kiselbaserade bildsensorer och solceller.
© 2020 Science X Network
