Os fotodiodos de silício são dispositivos semicondutores comumente usados ​​para detectar a luz visível e medir sua intensidade, cor e posição. O fato de esses dispositivos serem feitos de silício tem vantagens e desvantagens.

Embora o silício possa ser usado para desenvolver sistemas que são mais baratos e bastante fáceis de integrar com eletrônicos de leitura, também evita que os fotodiodos detectem luz infravermelha próxima (NIR) e infravermelha de onda curta (SWIR). Na verdade, o silício tem um bandgap de 1,12 eV, que é equivalente a um comprimento de onda de 1, 100nanômetro. Em última análise, isso torna difícil para os fotodiodos feitos de silício detectar a luz NIR (em comprimentos de onda de 700 a 1, 000 nanômetros) e luz SWIR (em comprimentos de onda de 1, 000 para 1, 700 nanômetros).

Para superar essa limitação, uma equipe de pesquisadores da Pohang University of Science and Technology (POSTECH) e do NASA Ames Research Center desenvolveu recentemente um novo tipo de fotodiodos de silício baseado em nanofios de silício em forma de ampulheta com modos de galeria sussurrantes que aumentam sua fotorresposta infravermelha próxima. Seu estudo foi apresentado em Nature Electronics .

"O ponto de partida desta pesquisa foi desenvolver um fotodetector de silício para monitoramento de energia de equipamentos cirúrgicos a laser usando um 1, Fonte de luz de 064 nanômetros (usada principalmente para aplicações oftálmicas, etc.), "Chang-Ki Baek, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore.

Inicialmente, Baek e seus colegas tentaram otimizar a absorção de 1, Luz de comprimento de onda de 064 nanômetros, alterando o diâmetro e a altura de estruturas de nanofios de silício em forma de cone invertido (SiNW) que seu laboratório havia desenvolvido anteriormente. Para fazer isso, eles ajustaram a proporção do gás de corrosão e o tempo de corrosão de um HBr HBr / Cl ₂ / O ₂ mistura.

Isso levou ao aparecimento inesperado da primeira matriz SiNW em forma de ampulheta em certos ₂ condições do gás. Em sua pesquisa anterior, os pesquisadores observaram duas propriedades ópticas principais de estruturas SiNW em forma de cone:uma absorção crescente de luz em estruturas em forma de cone invertido resultante de sua ressonância, e uma refletância de superfície decrescente em estruturas regulares em forma de cone devido à sua correspondência de índice de refração.

"Uma vez que o SiNW em forma de ampulheta tem as vantagens de estruturas em forma de cone invertido e reto, previmos que a aplicação de uma matriz de SiNW em forma de ampulheta ao fotodiodo melhoraria a detecção de infravermelho próximo, "Baek disse." Em simulações e experimentos TCAD, verificamos a melhoria da detecção do infravermelho próximo com o fotodiodo fabricado. Como resultado, nosso fotodiodo SiNW em forma de ampulheta pode ser expresso como uma ideia descoberta não intencionalmente durante o projeto de um processo de corrosão. "

O dispositivo proposto pelos pesquisadores é o tipo mais básico de fotodiodo de junção PN. Foi fabricado empregando métodos que são comumente usados ​​para fazer semicondutores de silício, como deposição, gravura, fotolitografia, oxidação e metalização.

"O princípio de operação dos fotodiodos de junção PN é o seguinte:pares de elétron-buraco (EHP) são gerados na região de depleção quando uma fonte de luz com energia maior do que o intervalo de banda de silício é incidente, "Baek explicou." Como os EHPs são separados nos eletrodos superior e inferior pelo campo elétrico interno, a fotocorrente é gerada. "

Ao fabricar o fotodiodo, os pesquisadores usaram uma junção PN radial que maximiza os benefícios de absorção de luz de uma junção PN planar aplicando uma matriz em forma de ampulheta de SiNWs. A matriz SiNW vertical no dispositivo tem uma área de superfície maior do que os tipos de matrizes planas. Além disso, ele pode reabsorver a luz primária dos nanofios que o cercam, o que reduz significativamente a refletância de sua superfície.

"Como o caminho de absorção da fonte de luz e do elétron é separado no SiNW, o caminho de absorção do elétron pode ser limitado ao diâmetro do SiNW. que pode reduzir a recombinação de elétrons quando próximo ao infravermelho com comprimento de absorção longo é incidente perpendicular ao SiNW, gerando assim uma grande fotocorrente, "Baek disse." Esses são os méritos da matriz SiNW básica e da junção PN radial. "

Duas outras vantagens dos arranjos SiNW em forma de ampulheta concebidos pelos pesquisadores são a correspondência de ressonância e índice de refração. Na verdade, o arranjo cônico da estrutura superior em forma de cone invertido permite a ressonância em modo de galeria sussurrante. Isso significa que uma fonte de luz é absorvida girando em torno da superfície do nanofio, aumentando assim o caminho de absorção de luz.

"Na estrutura inferior em forma de cone, quanto menor o diâmetro, quanto mais semelhante ao índice de refração do ar, portanto, a refletância da superfície é muito mais baixa do que a do silício em massa. Portanto, pode absorver efetivamente a fonte de luz refletida ou transmitida de sua parte superior, "Baek disse." Como resultado, um fotodiodo SiNW em forma de ampulheta pode absorver efetivamente o infravermelho próximo devido à sua baixa refletância de superfície e comprimento de absorção de luz de longa duração. "

O fotodiodo SiNW em forma de ampulheta desenvolvido por Baek e seus colegas permite uma melhor absorção da luz infravermelha próxima, o que até agora se revelou muito difícil para os fotodiodos de silício com uma forma mais convencional de absorver. A tecnologia de detecção de infravermelho próximo pode ter uma variedade de aplicações, por exemplo, em tecnologia LiDAR autônoma, equipamento médico, ferramentas de defesa, e sensores de tempo de voo (TOF).

"Todos os fotodiodos SiNW em forma de ampulheta podem ser fabricados usando processos top-down de silício existentes, que permite a produção em massa de baixo custo e reprodutibilidade de alto desempenho, "Disse Baek." Em outras palavras, esta tecnologia é de grande valor pelo seu potencial de comercialização. "

No futuro, o fotodiodo de silício em forma de ampulheta pode permitir o desenvolvimento de dispositivos de detecção de infravermelho próximo para diversos fins. Em seu estudo, por exemplo, os pesquisadores usaram o fotodiodo para criar um sistema de medição de freqüência cardíaca que alcançou um desempenho comparável ao alcançado por ferramentas disponíveis comercialmente.

"A pesquisa científica básica é importante, claro, mas como engenheiro, Acho que o mais importante é fazer pesquisas que possam ajudar as pessoas na vida real, "Baek disse." Atualmente, estamos planejando dois projetos de pesquisa com base em nossa experiência de desenvolvimento de fotodiodo. "

Nos próximos meses, Baek e seus colegas esperam usar o fotodiodo que desenvolveram para criar um sensor TOF compacto e de baixo custo, um tipo de dispositivo de detecção amplamente utilizado em veículos autônomos. Além disso, eles planejam começar a trabalhar com empresas de engenharia eletrônica para melhorar a sensibilidade dos módulos de sensores de imagem CMOS (CIS), que são usados ​​para fabricar vários dispositivos eletrônicos, incluindo smartphones.

"Um estudo recente descobriu que o módulo CIS com detecção aprimorada de infravermelho próximo produz imagens melhores, "Baek disse." Com o mesmo contexto, acreditamos que nosso know-how de desenvolvimento de fotodiodo pode ajudar a melhorar a detecção de infravermelho próximo dos módulos CIS, melhorando assim a qualidade da imagem ou vídeo adquirido. "

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