Fabricação de dispositivos de matriz 6 × 6 Si NM para PD extensível controlado por deformação. (A) Ilustração esquemática da fabricação do dispositivo. RIE, corrosão iônica reativa. (B) Fotografia de um dispositivo fabricado em substrato de SiO2 / Si revestido com PI e a vista ampliada correspondente das seções do dispositivo. (C) Imagens de SEM de forma hemisférica convexa (superior) e côncava (inferior) de filme PI protuberante contendo uma matriz 6 × 6 Si-NM PD. Barras de escala, 0,5 mm. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
O silício é amplamente utilizado na indústria de microeletrônica, embora suas aplicações fotônicas sejam restritas à faixa espectral visível e parcial do infravermelho próximo, devido ao seu gap óptico fundamental. Os pesquisadores, portanto, usaram avanços recentes na engenharia de deformações para adaptar as propriedades do material, incluindo o bandgap óptico. Em um estudo recente agora publicado em Avanços da Ciência , Ajit K. Katiyar e um grupo de cientistas em engenharia eletrônica e ciência de materiais na República da Coréia, relataram encolhimento induzido por deformação no bandgap de silício (Si). O processo facilitou a fotossensibilidade além do limite fundamental dentro dos fotodetectores de nanomembrana de silício (abreviado Si-NM PD). A equipe esticou mecanicamente os pixels de Si-NM PD usando uma deformação máxima de 3,5% para aumentar a fotorresponsividade e estendeu o limite de absorção de silício até 1550 nm com aplicativos adequados para sensores lidar e detecção de obstáculos durante a condução autônoma. Eles então desenvolveram uma estrutura optoeletrônica tridimensional deformável (3-D) com arquiteturas hemisféricas côncavas e convexas para protótipos eletrônicos exibindo detecção de luz de grande angular, bioinspirado pelos olhos biológicos dos insetos.
Dispositivos optoeletrônicos
Dispositivos optoeletrônicos flexíveis e flexíveis de baixo custo, incluindo sistemas de imagem bioinspirados, fotodetectores e células fotovoltaicas podem funcionar sob o comprimento de onda do infravermelho próximo (NIR) em temperatura ambiente. Fotodetectores que podem detectar a faixa espectral de infravermelho de comprimento de onda curto (SWIR) de 1300 a 2000 nm são em alta demanda para sensores LIDAR e para uso em veículos autônomos. Os dispositivos Lidar fornecem uma visão autônoma de 360 graus dos objetos ao redor para funcionar como um olho do veículo sem motorista. Uma vez que a luz de alta potência do comprimento de onda ultravioleta-NIR pode danificar a retina do olho humano, A luz SWIR é fundamental para o sistema lidar. As reivindicações teóricas sugerem que a estrutura da banda de silício pode ser substancialmente modificada sob a influência de deformação compressiva ou de tração; Portanto, os cientistas de materiais usaram o silício como um bloco de construção básico em uma variedade de aplicações fotônicas. Por exemplo, um gap óptico reduzido pode capturar fótons com energias menores do que o gap fundamental do silício para aumentar a mobilidade do portador. Katiyar et al. portanto, aplicou tensão de tração biaxial na rede de Si e relatou que sua fotorresposta estava bem além do limite de bandgap óptico do material.
Características de deformação e fotodetecção de dispositivo MSM único fabricado em 20 μm por Si NM de 10 nm de espessura de 20 μm e cálculo teórico da estrutura de banda eletrônica. (A) Espectros Raman de amostra de Si NM de 10 nm de espessura registrados com aumento de pressão. Os espectros mostram o aumento da intensidade de espalhamento Raman e o deslocamento da posição do pico em direção ao lado do número de onda inferior com o aumento da pressão. a.u., unidades arbitrárias. (B) Valor máximo de deformação biaxial aplicada em Si NMs de diferentes espessuras por meio do processo de abaulamento antes da fratura. A inserção mostra o Si NM antes (canto inferior esquerdo) e depois da fratura (canto superior direito). (C) Estrutura de banda eletrônica dependente de tensão de Si NM de 10 nm de espessura com uma deformação biaxial aplicada de até 4%. (D) Representação esquemática de arranjos atômicos de ~ 10 nm de espessura de Si NM usado no cálculo teórico. (E) Valores de bandgap de diferentes transições extraídos do diagrama de banda de energia calculado para amostra de Si NM de 10 nm de espessura submetida a deformação de tração biaxial crescente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
Desenvolvimento e caracterização do dispositivo de imagem SWIR
Para demonstrar a capacidade de imagem SWIR, a equipe fabricou matrizes fotodetectoras do tipo metal-semicondutor-metal (MSM) em nanomembranas de silício ultrafinas em um substrato de polímero fino. A configuração os ajudou a perceber tecnologias de imagem, como sensores lidar e sistemas de imagem bioinspirados. Os cientistas padronizaram a matriz de matriz de fotodiodo alvo usando fotolitografia e transferiram os construtos para um filme de poliimida (PI) e aumentaram a pressão dentro da cavidade do suporte de amostra para o filme de PI se projetar e formar geometrias convexas e côncavas, mantendo as matrizes fabricadas. Eles então mediram o valor máximo de deformação nas amostras de nanomembrana de silício de diferentes espessuras usando espectroscopia Raman. Katiyar et al. calculou os diagramas de banda de energia elétrica de amostras de nanomembrana de silício de 10 nm de espessura em diferentes valores de deformação biaxial aplicada variando de 0 a 4% para compreender o papel da redução do bandgap na detecção de luz SWIR.
Fotorresposta induzida por tensão e características de imagem da matriz PD fabricada. (A) Fotografia do dispositivo de matriz 6 × 6 Si-NM PD montado na configuração de teste de protuberância com pressão crescente (barras de escala, 1 mm). Crédito da foto:Ajit K. Katiyar, Universidade Yonsei. (B) Fotorresposta transitória dependente de tensão de um único dispositivo Si NM de 10 nm de espessura medido sob luz incidente de diferentes comprimentos de onda, de 405 a 1550 nm. Os gráficos revelam a capacidade de fotossensibilidade do dispositivo Si NM de 10 nm de espessura além da faixa de comprimento de onda de fotoabsorção de Si (400 a 1100 nm) sob a deformação aplicada. Uma clara ativação / desativação na fotorresposta pode ser observada sob a luz de 1550 nm acima da cepa biaxial de 3,5% aplicada. (C) Fotografias digitais do dispositivo de matriz de Si-NM PD capturadas durante a geração de imagens com luzes de vários comprimentos de onda (barras de escala, 3 mm). Crédito da foto:Ajit K. Katiyar, Universidade Yonsei. (D) Imagens de mapeamento fotocorrente correspondentes registradas sob luz incidente de diferentes comprimentos de onda. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
O princípio de funcionamento do fotodetector de nanomembrana de silício (Si-NM PD)
Os cientistas examinaram a sintonia de fotossensibilidade induzida por deformação com um único fotodetector de metal semicondutor de metal (MSM) projetado usando uma nanomembrana de silício de 10 nm de espessura. Eles calcularam a fotorresposta para cada comprimento de onda sob tensão crescente. Os resultados levaram à suposição de que a fotorresponsividade aumentada resultou de efeitos combinados de absorção óptica aprimorada e mobilidades de portadores de carga fotoinduzidas em cepas elevadas. Em teoria, a tensão pode influenciar substancialmente as mobilidades dos portadores de carga, os dispositivos MSM, portanto, mostraram capacidades de fotossensibilidade além do limite fundamental de fotoabsorção de silício (aproximando-se de 1100 nm), com aumento da aplicação de deformação biaxial.
Visão geral do sistema de imagem óptica e imagens de objetos obtidas a partir da matriz 6 × 6 Si-NM PD sob tensão crescente. (A) Ilustração esquemática do sistema de imagem geral e configuração óptica usada para a geração de imagens da letra Y contendo uma fonte de luz colimada, máscara de sombra, e matriz de dispositivo. (B) Visão ampliada da representação esquemática para imagens do alfabeto Y. (C) Imagens de mapeamento fotocorrente de uma carta representativa gravada sob luz incidente de 1310 nm com aumento da pressão de deformação. Um aumento na fotocorrente com aumento na pressão aplicada é evidente, que é uma consequência da deformação aumentada em cada pixel de Si NM. (D) Imagens fotográficas e imagens de mapeamento adquiridas correspondentes das matrizes de pixel PD fabricadas sob geometria hemisférica convexa. O laser é projetado em um ângulo de incidência de ~ 20 ° do normal em ambos os lados das matrizes de PD. Crédito da foto:Ajit K. Katiyar, Universidade Yonsei. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
Katiyar et al. em seguida, monitorou a sintonia induzida por deformação da fotodetecção de silício na faixa de comprimento de onda SWIR sob deformações crescentes. Para conseguir isso, eles alteraram o espaçamento da rede do cristal de silício aplicando tensão para modificar ou reduzir sua estrutura de banda para absorção óptica na região SWIR. Depois de confirmar os recursos de fotossensibilidade SWIR de um único dispositivo MSM de silício representativo, eles expandiram sua imagem SWIR induzida por deformação para um protótipo de matriz 6 x 6 Si-NM PD de arquiteturas convexas e côncavas.
Demonstrando sintonia induzida por deformação e arquiteturas convexas e côncavas bioinspiradas
Para demonstrar o ajuste induzido por deformação e seu efeito na fotossensibilidade, Katiyar et al. registrou um padrão de fotocorrente da letra do alfabeto 'Y', que foi fabricado pela primeira vez em um substrato de vidro na forma de uma máscara de sombra. Depois de atingir um nível de tensão aproximado de 1,8%, eles gravaram uma fotocorrente perceptível para obter uma imagem clara de 'Y' sob uma luz SWIR de 1310 nm. À medida que a pressão de tensão na cavidade de teste de protuberância aumentou, a tensão em cada pixel do fotodiodo também aumentou, eventualmente aumentando a progressão da fotocorrente para realizar uma imagem com uma deformação máxima de 3,5%. Usando a abordagem de abaulamento induzida por pressão, a equipe conseguiu uma estrutura hemisférica convexa das matrizes de pixels Si-NM PD que também foram bioinspiradas por olhos compostos de insetos para detecção de luz de grande angular.
O clipe de filme mostra imagens em tempo real da forma “Y” com luz de 1310 nm projetada em um sistema de matriz de Si NM PD sujeito a diferentes níveis de deformação. O painel esquerdo mostra o mapa de fotocorrente em tempo real em uma escala codificada por cores normalizada, gerada usando os dados de saída coletados de cada pixel PD por meio da unidade DAQ. O painel direito mostra o sistema de medição que consiste em um dispositivo PD array montado na configuração de teste de protuberância, uma luz de laser guiada por fibra de 1310 nm e um cartão IR para visualizar o pulso de laser incidente. Pode-se notar claramente que não há fotorresposta dos pixels PD quando eles estão no nível de deformação zero. À medida que a luz é exposta na matriz PD submetida a uma tensão biaxial máxima de ~ 3,5%, um claro on-off representando a forma em “Y” pode ser realizado. Crédito da foto:Ajit K. Katiyar, Universidade Yonsei. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.abb0576
A equipe desenvolveu arranjos de pixels de fotodiodo (PD) de maneira semelhante ao contrário para produzir uma estrutura côncava. O arranjo côncavo de pixels PD com geometria hemisférica invertida imitou o plano focal côncavo de um olho de mamífero. Usando a configuração côncava, a equipe conduziu imagens da letra 'Y' de forma semelhante sob exposição à luz de 1310 nm e diferentes pressões de deformação. Em seguida, a equipe registrou o padrão de fotocorrente da letra 'I' com a matriz de fotodiodo sob arquiteturas planar e côncava para compreender a vantagem da superfície côncava na imagem, e observou a lente côncava para fornecer uma representação uniforme e mais clara da letra 'I'.
Desta maneira, Ajit K. Katiyar e colegas demonstraram a fotorresposta aprimorada e as capacidades de fotossensibilidade SWIR (infravermelho de comprimento de onda curto) do silício após submeter o material a tensões de tração biaxial. Eles criaram uma plataforma usando nanomembranas de silício finas mecanicamente esticadas em uma configuração de protuberância para introduzir tensões. Eles reduziram o bandgap óptico de silício aplicando tensão biaxial para detectar fótons incidentes além do limite de absorção óptica fundamental do material. A equipe demonstrou a capacidade de geração de imagens usando uma matriz de fotodiodo de metal semicondutor de metal da matriz 6 x 6 com luz SWIR. Os pesquisadores então construíram geometrias que imitavam olhos biológicos usando as formas hemisférica convexa e côncava. O trabalho permitiu o sensoriamento SWIR em silício via engenharia de deformação com aplicações promissoras em sensores de imagem baseados em silício e fotovoltaicos.
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