硅被廣泛用于微電子工業(yè)中，盡管其光子學(xué)應(yīng)用被限制在可見和部分近紅外由于其基本光譜范圍內(nèi)的光學(xué)帶隙。因此，研究人員利用應(yīng)變工程技術(shù)的最新進(jìn)展來調(diào)整材料特性，包括光學(xué)帶隙。在最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項最新研究中，Ajit K. Katiyar和大韓民國電子工程與材料科學(xué)領(lǐng)域的一組科學(xué)家報告了應(yīng)變引起的硅(Si)帶隙收縮。該工藝促進(jìn)了光敏技術(shù)超出硅納米膜的基本極限光電探測器(Si-NM PD的縮寫)。該團(tuán)隊使用最大應(yīng)變?yōu)?.5%的機械拉伸Si-NM PD像素以增強光響應(yīng)性，并將硅吸收極限擴展至1550 nm，適用于激光雷達(dá)傳感器和自動駕駛過程中的障礙物檢測。然后，他們開發(fā)了具有凹凸半球形結(jié)構(gòu)的可變形三維(3-D)光電電子框架，用于電子原型，該原型顯示了廣角光檢測，并受到昆蟲生物學(xué)眼睛的啟發(fā)。

光電設(shè)備

低成本的柔性可彎曲光電設(shè)備，包括生物啟發(fā)成像系統(tǒng)，光電探測器和光伏電池可以在室溫下在近紅外(NIR)波長下工作。對于激光雷達(dá)傳感器和用于自動駕駛汽車的傳感器，人們迫切需要能夠檢測1300至2000 nm的短波紅外(SWIR)光譜范圍的光電探測器。激光雷達(dá)設(shè)備可自動觀察周圍物體360度，以作為無人駕駛車輛的眼睛。由于紫外-NIR波長的高功率光會損壞人眼的視網(wǎng)膜，因此SWIR光對于激光雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要。理論上的主張表明，硅的能帶結(jié)構(gòu)可以在壓縮應(yīng)變或拉伸應(yīng)變的影響下得到實質(zhì)性的改變。因此，材料科學(xué)家已將硅用作各種光子應(yīng)用中的基本構(gòu)件。例如，減小的光學(xué)帶隙可以捕獲能量小于硅基本能隙的光子，從而提高載流子遷移率。Katiyar等。因此，在Si晶格上施加了雙軸拉伸應(yīng)變，并報告了它們的光響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的光學(xué)帶隙極限。

開發(fā)和表征SWIR成像設(shè)備

為了證明SWIR成像能力，該團(tuán)隊在薄聚合物基板上的超薄硅納米膜上制造了金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)型光電探測器陣列。該設(shè)置幫助他們實現(xiàn)了成像技術(shù)，例如激光雷達(dá)傳感器和生物啟發(fā)成像系統(tǒng)?？茖W(xué)家使用光刻技術(shù)對目標(biāo)光電二極管陣列矩陣進(jìn)行了構(gòu)圖，然后將構(gòu)建體轉(zhuǎn)移到聚酰亞胺(PI)膜上，并增加了樣品架腔內(nèi)的壓力，使PI膜凸出并形成凹凸形狀，同時保持了所制造的陣列。然后他們使用拉曼光譜法測量了不同厚度的硅納米膜樣品中的最大應(yīng)變值。Katiyar等。計算了10納米厚的硅納米膜樣品在0到4%范圍內(nèi)不同施加的雙軸應(yīng)變值下的能帶圖，以了解帶隙減小在SWIR光檢測中的作用。

硅納米膜光電探測器(Si-NM PD)的工作原理

科學(xué)家們使用由10 nm厚的硅納米膜設(shè)計的單個金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)型光電探測器，研究了應(yīng)變誘導(dǎo)的光敏可調(diào)性。他們計算了應(yīng)變增加時每個波長的光響應(yīng)性。結(jié)果導(dǎo)致了這樣的假設(shè)：增強的光響應(yīng)是由增強的光吸收和在較高的應(yīng)變下光誘導(dǎo)的載流子遷移率共同作用引起的。從理論上講，應(yīng)變可以實質(zhì)上影響電荷載流子的遷移率，因此，隨著雙軸應(yīng)變的增加，MSM器件顯示出超出硅基本光吸收極限(約1100 nm)的光敏能力。

Katiyar等。然后在應(yīng)變不斷增加的情況下，在SWIR波長范圍內(nèi)監(jiān)測應(yīng)變引起的硅光電探測的可調(diào)諧性。為此，他們通過施加應(yīng)變來改變或減小其晶體結(jié)構(gòu)，以改變硅晶體的晶格間距，從而在SWIR區(qū)域進(jìn)行光吸收。在確認(rèn)了具有代表性的單硅MSM器件的SWIR光敏特性后，他們將應(yīng)變誘導(dǎo)的SWIR成像擴展到了凹凸結(jié)構(gòu)的6 x 6 Si-NM PD陣列原型。

演示應(yīng)變誘發(fā)的調(diào)優(yōu)和受生物啟發(fā)的凹凸結(jié)構(gòu)

為了證明應(yīng)變誘導(dǎo)的調(diào)諧及其對光敏技術(shù)的影響，Katiyar等人。記錄字母“ Y”的光電流圖形，該圖形首先以蔭罩的形式制造在玻璃基板上。在達(dá)到約1.8%的應(yīng)變水平后，他們記錄了可觀的光電流，以在1310 nm SWIR光下清晰地成像“ Y”。隨著凸出測試腔中的應(yīng)變壓力增加，每個光電二極管像素中的應(yīng)變也增加，最終增加了光電流的進(jìn)程，以最大3.5%的應(yīng)變實現(xiàn)圖像。使用壓力誘導(dǎo)的鼓脹方法，研究小組獲得了Si-NM PD像素陣列的凸半球結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也受到昆蟲的復(fù)眼生物啟發(fā)而用于廣角光檢測。

該團(tuán)隊以相反的方式對光電二極管(PD)像素陣列進(jìn)行了類似的設(shè)計，以產(chǎn)生凹形結(jié)構(gòu)。具有顛倒的半球形幾何形狀的PD像素的凹面布置模仿了哺乳動物眼睛的凹面焦平面。使用凹面設(shè)置，該小組在1310 nm曝光和不同應(yīng)變壓力下類似地對字母“ Y”進(jìn)行了應(yīng)變驅(qū)動成像。接下來，研究小組用平面和凹面結(jié)構(gòu)下的光電二極管矩陣陣列記錄了字母“ I”的光電流圖案，以了解凹面在成像上的優(yōu)勢，并指出凹面透鏡可提供字母“ I”的均勻和清晰的表示。一世'。

這樣，Ajit K. Katiyar及其同事證明了在使材料經(jīng)受雙軸拉伸應(yīng)變后，硅具有改進(jìn)的光響應(yīng)和SWIR(短波長紅外)光敏能力。他們創(chuàng)建了一個平臺，該平臺使用了在凸起結(jié)構(gòu)上機械拉伸的薄硅納米膜來引入應(yīng)變。他們通過施加雙軸應(yīng)變來檢測入射光子超出材料的基本光吸收極限，從而降低了硅的光學(xué)帶隙。該團(tuán)隊展示了使用具有SWIR光的6 x 6矩陣金屬-半導(dǎo)體-金屬光電二極管陣列的成像能力。然后，研究人員使用半球形的凹凸形狀構(gòu)造了可以模仿生物眼睛的幾何形狀。這項工作允許通過應(yīng)變工程在硅中進(jìn)行SWIR感測，并有望在整個領(lǐng)域得到應(yīng)用硅基圖像傳感器和光伏電池。