Fabrication de dispositifs de réseau 6 × 6 Si NM pour PD extensible à contrainte contrôlée. (A) Illustration schématique de la fabrication de l'appareil. RIE, gravure ionique réactive. (B) Photographie d'un appareil fabriqué sur un substrat SiO2/Si recouvert de PI et vue agrandie correspondante des sections de l'appareil. (C) Images SEM de forme hémisphérique convexe (en haut) et concave (en bas) d'un film PI bombé contenant un réseau 6 × 6 Si-NM PD. Barres d'échelle, 0,5 mm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Le silicium est largement utilisé dans l'industrie de la microélectronique, bien que ses applications photoniques soient limitées au domaine spectral visible et proche infrarouge partiel en raison de sa bande interdite optique fondamentale. Les chercheurs ont donc utilisé les progrès récents de l'ingénierie des contraintes pour adapter les propriétés des matériaux, y compris la bande interdite optique. Dans une étude récente maintenant publiée sur Avancées scientifiques , Ajit K. Katiyar et un groupe de scientifiques en génie électronique et science des matériaux en République de Corée, ont signalé un rétrécissement induit par la déformation dans la bande interdite du silicium (Si). Le processus a facilité la photodétection au-delà de la limite fondamentale dans les photodétecteurs à nanomembrane de silicium (en abrégé Si-NM PD). L'équipe a étiré mécaniquement les pixels Si-NM PD en utilisant une contrainte maximale de 3,5% pour améliorer la photoréactivité et a étendu la limite d'absorption du silicium jusqu'à 1550 nm avec des applications adaptées aux capteurs lidar et à la détection d'obstacles pendant la conduite autonome. Ils ont ensuite développé un cadre optoélectronique tridimensionnel (3-D) déformable avec des architectures hémisphériques concaves et convexes pour des prototypes électroniques affichant une détection de lumière grand angle, bio-inspiré par les yeux biologiques des insectes.
Appareils optoélectroniques
Dispositifs optoélectroniques flexibles et pliables à faible coût, y compris les systèmes d'imagerie bioinspirés, les photodétecteurs et les cellules photovoltaïques peuvent fonctionner dans le proche infrarouge (NIR) à température ambiante. Les photodétecteurs capables de détecter la plage spectrale de l'infrarouge à courte longueur d'onde (SWIR) de 1 300 à 2 000 nm sont très demandés pour les capteurs lidar et pour une utilisation dans les véhicules autonomes. Les dispositifs lidar offrent une vue autonome à 360 degrés des objets environnants pour fonctionner comme un œil du véhicule sans conducteur. Étant donné que la lumière de haute puissance de la longueur d'onde ultraviolet-NIR peut endommager la rétine de l'œil humain, La lumière SWIR est fondamentale pour le système lidar. Les revendications théoriques suggèrent que la structure de bande du silicium peut être substantiellement modifiée sous l'influence d'une contrainte de compression ou de traction; donc, les scientifiques des matériaux ont utilisé le silicium comme élément de base dans une variété d'applications photoniques. Par exemple, une bande interdite optique réduite peut capturer des photons avec des énergies inférieures à l'espacement fondamental du silicium pour une mobilité accrue des porteurs. Katiyar et al. ont donc appliqué une contrainte de traction biaxiale sur le réseau de Si et ont signalé que leur photoréponse était bien au-delà de la limite de la bande interdite optique du matériau.
Caractéristiques de déformation et de photodétection d'un seul dispositif MSM fabriqué sur Si NM de 20 µm sur 20 µm d'épaisseur 10 nm et calcul théorique de la structure de bande électronique. (A) Spectres Raman d'un échantillon de Si NM de 10 nm d'épaisseur enregistré avec une pression croissante. Les spectres montrent l'amélioration de l'intensité de la diffusion Raman et le décalage de la position du pic vers le côté du nombre d'onde inférieur avec une pression croissante. a.u., unités arbitraires. (B) Valeur de déformation biaxiale maximale appliquée dans les NM de Si de différentes épaisseurs via le processus de gonflement juste avant la fracture. L'encart montre le Si NM avant (en bas à gauche) et après la fracture (en haut à droite). (C) Structure de bande électronique dépendante de la contrainte de Si NM de 10 nm d'épaisseur avec une contrainte biaxiale appliquée allant jusqu'à 4%. (D) Représentation schématique des arrangements atomiques de ~ 10 nm d'épaisseur Si NM utilisé dans le calcul théorique. (E) Valeurs de bande interdite de différentes transitions extraites du diagramme de bande d'énergie calculé pour un échantillon de Si NM de 10 nm d'épaisseur soumis à une contrainte de traction biaxiale croissante. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Développement et caractérisation du dispositif d'imagerie SWIR
Pour démontrer la capacité d'imagerie SWIR, l'équipe a fabriqué des matrices de photodétecteurs de type métal-semiconducteur-métal (MSM) sur des nanomembranes de silicium ultrafines sur un substrat polymère mince. La configuration les a aidés à réaliser des technologies d'imagerie telles que des capteurs lidar et des systèmes d'imagerie bioinspirés. Les scientifiques ont modelé la matrice du réseau de photodiodes cible à l'aide de la photolithographie et transféré les constructions sur un film de polyimide (PI) et ont augmenté la pression à l'intérieur de la cavité du porte-échantillon pour que le film PI se gonfle et forme des géométries convexes et concaves tout en maintenant les réseaux fabriqués. Ils ont ensuite mesuré la valeur de déformation maximale dans les échantillons de nanomembrane de silicium de différentes épaisseurs à l'aide de la spectroscopie Raman. Katiyar et al. ont calculé les diagrammes de bandes d'énergie électrique d'échantillons de nanomembranes de silicium de 10 nm d'épaisseur à différentes valeurs de déformation biaxiale appliquées allant de 0 à 4 % pour comprendre le rôle de la réduction de la bande interdite dans la détection de la lumière SWIR.
Photoréponse induite par la contrainte et caractéristiques d'imagerie de la matrice PD fabriquée. (A) Photographie du dispositif de réseau PD 6 × 6 Si-NM monté sur une configuration de test de renflement avec une pression croissante (barres d'échelle, 1 millimètre). Crédit photo :Ajit K. Katiyar, Université Yonsei. (B) Photoréponse transitoire dépendante de la souche d'un seul dispositif Si NM de 10 nm d'épaisseur mesuré sous une lumière incidente de différentes longueurs d'onde, de 405 à 1550 nm. Les tracés révèlent la capacité de photodétection du dispositif Si NM de 10 nm d'épaisseur au-delà de la plage de longueurs d'onde de photoabsorption du Si (400 à 1100 nm) sous la contrainte appliquée. Un on/off clair dans la photoréponse peut être remarqué sous la lumière de 1550 nm au-dessus de la contrainte biaxiale appliquée de 3,5%. (C) Photographies numériques du dispositif de matrice Si-NM PD capturées pendant l'imagerie avec des lumières de différentes longueurs d'onde (barres d'échelle, 3 millimètres). Crédit photo :Ajit K. Katiyar, Université Yonsei. (D) Images de cartographie de photocourant correspondantes enregistrées sous une lumière incidente de différentes longueurs d'onde. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Le principe de fonctionnement du photodétecteur à nanomembrane de silicium (Si-NM PD)
Les scientifiques ont examiné l'accordabilité de la photodétection induite par la contrainte avec un seul photodétecteur de type métal-semiconducteur-métal (MSM) conçu à l'aide d'une nanomembrane de silicium de 10 nm d'épaisseur. Ils ont calculé la photoréactivité pour chaque longueur d'onde sous une contrainte croissante. Les résultats ont conduit à l'hypothèse que la photoréactivité accrue résultait des effets combinés de l'absorption optique améliorée et des mobilités des porteurs de charge photoinduites à des contraintes élevées. En théorie, la contrainte peut considérablement influencer les mobilités des porteurs de charge, les dispositifs MSM ont donc montré des capacités de photodétection au-delà de la limite fondamentale de photoabsorption du silicium (environ 1100 nm), avec une application accrue de la contrainte biaxiale.
Vue d'ensemble du système d'imagerie optique et des images d'objets obtenues à partir d'un réseau 6 × 6 Si-NM PD sous une contrainte croissante. (A) Illustration schématique du système d'imagerie global et de la configuration optique utilisés pour l'imagerie de la lettre Y contenant une source de lumière collimatée, masque d'ombre, et la matrice de périphériques. (B) Vue agrandie de la représentation schématique pour l'imagerie de l'alphabet Y. (C) Images de cartographie photocourante d'une lettre représentative enregistrée sous une lumière incidente de 1310 nm avec une pression croissante. Une augmentation du photocourant avec l'augmentation de la pression appliquée est évidente, ce qui est une conséquence de la contrainte accrue dans chaque pixel Si NM. (D) Images photographiques et images cartographiques acquises correspondantes des matrices de pixels PD fabriquées sous une géométrie hémisphérique convexe. Le laser est projeté à un angle d'incidence d'environ 20° par rapport à la normale des deux côtés des réseaux PD. Crédit photo :Ajit K. Katiyar, Université Yonsei. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb0576
Katiyar et al. puis surveillé l'accordabilité induite par la contrainte de la photodétection du silicium dans la gamme de longueurs d'onde SWIR sous des contraintes croissantes. Pour y parvenir, ils ont modifié l'espacement du réseau du cristal de silicium en appliquant une contrainte pour modifier ou réduire sa structure de bande pour l'absorption optique dans la région SWIR. Après avoir confirmé les caractéristiques de photodétection SWIR d'un dispositif MSM en silicium unique représentatif, ils ont étendu leur imagerie SWIR induite par déformation à un prototype de réseau PD 6 x 6 Si-NM d'architectures convexes et concaves.
Démonstration du réglage induit par la déformation et des architectures convexes et concaves bioinspirées
Pour démontrer le réglage induit par la contrainte et son effet sur la photodétection, Katiyar et al. enregistré un motif photocourant de la lettre de l'alphabet « Y », qui a d'abord été fabriqué sur un substrat de verre sous la forme d'un masque perforé. Après avoir atteint un niveau de contrainte approximatif de 1,8 %, ils ont enregistré un photocourant notable pour imager clairement « Y » sous une lumière SWIR de 1310 nm. Au fur et à mesure que la pression de déformation dans la cavité d'essai de renflement augmentait, la contrainte dans chaque pixel de photodiode a également augmenté, augmenter éventuellement la progression du photocourant pour réaliser une image à une déformation maximale de 3,5%. En utilisant l'approche de gonflement induite par la pression, l'équipe a obtenu une structure hémisphérique convexe des matrices de pixels Si-NM PD qui ont également été bioinspirées par les yeux composés d'insectes pour la détection de la lumière grand angle.
Le clip vidéo montre une imagerie en temps réel de la forme "Y" avec une lumière de 1310 nm projetée sur un système de matrice Si NM PD soumis à différents niveaux de contrainte. Le panneau de gauche montre la carte du photocourant en temps réel dans une échelle de code couleur normalisée générée à l'aide des données de sortie collectées à partir de chaque pixel PD via l'unité DAQ. Le panneau de droite montre le système de mesure composé d'un dispositif de réseau PD monté sur une configuration de test de renflement, une lumière laser à 1310 nm guidée par fibre et une carte IR pour visualiser l'impulsion laser incidente. On peut clairement remarquer qu'il n'y a pas de photoréponse des pixels PD lorsqu'ils sont à un niveau de contrainte nul. Comme la lumière est exposée sur le réseau PD soumis à une contrainte biaxiale maximale d'environ 3,5 %, un on-off clair représentant la forme "Y" peut être réalisé. Crédit photo :Ajit K. Katiyar, Université Yonsei. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abb0576
L'équipe a également conçu des matrices de pixels de photodiodes (PD) à l'envers pour produire une structure concave. L'arrangement concave des pixels PD avec une géométrie hémisphérique inversée imitait le plan focal concave d'un œil de mammifère. En utilisant la configuration concave, l'équipe a également réalisé une imagerie par déformation de la lettre « Y » sous une exposition à la lumière de 1310 nm et différentes pressions de déformation. L'équipe a ensuite enregistré le modèle de photocourant de la lettre « I » avec le réseau matriciel de photodiodes sous des architectures planaires et concaves pour comprendre l'avantage de la surface concave sur l'imagerie, et a noté la lentille concave pour fournir une représentation uniforme et plus claire de la lettre « I ».
De cette façon, Ajit K. Katiyar et ses collègues ont démontré les capacités améliorées de photoréponse et de photodétection SWIR (infrarouge à courte longueur d'onde) du silicium après avoir soumis le matériau à des contraintes de traction biaxiales. Ils ont créé une plate-forme utilisant de fines nanomembranes de silicium étirées mécaniquement sur une configuration de renflement pour introduire des contraintes. Ils ont réduit la bande interdite optique du silicium en appliquant une contrainte biaxiale pour détecter les photons incidents au-delà de la limite d'absorption optique fondamentale du matériau. L'équipe a démontré la capacité d'imagerie à l'aide d'un réseau de photodiodes métal-semiconducteur-métal à matrice 6 x 6 avec lumière SWIR. Les chercheurs ont ensuite construit des géométries imitant les yeux biologiques en utilisant les formes hémisphériques convexes et concaves. Le travail a permis la détection SWIR dans le silicium via l'ingénierie des contraintes avec des applications prometteuses dans les capteurs d'images à base de silicium et le photovoltaïque.
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