硅納米膜光電探測器（Si-NM PD）的工作原理

硅被廣泛用于微電子工業(yè)中，但其光子學(xué)應(yīng)用被限制在可見和部分近紅外波段，這是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)整光學(xué)帶隙等材料特性。在最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一項最新研究中，韓國延世大學(xué)（Yonsei University）的Ajit K. Katiyar及其研究團隊報告了應(yīng)變引起的硅（Si）帶隙收縮，該工藝促進(jìn)了超出硅納米膜基本極限的光電探測器（Si-NM PD）的發(fā)展。

該團隊使用最大應(yīng)變3.5%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。接著，研究者開發(fā)了具有凹凸半球形結(jié)構(gòu)的可變形三維（3D）光電電子框架，可用于電子原型，該原型特點為廣角光檢測，是受到昆蟲生物學(xué)眼睛的啟發(fā)。

低成本光電設(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等，可在室溫下近紅外（NIR）波段工作。對于激光雷達(dá)傳感器和用于自動駕駛汽車的傳感器，人們迫切需要能夠探測1300 nm ~ 2000 nm短波紅外（SWIR）波段的光電探測器。激光雷達(dá)可作為無人駕駛車輛的眼睛，360度自動觀察周圍物體。另外，由于紫外-NIR波長的高功率光會損壞人眼視網(wǎng)膜，因此SWIR光對于激光雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要。理論上，硅的能帶結(jié)構(gòu)可在壓縮應(yīng)變或拉伸應(yīng)變的影響下得到改變。因此，材料研究者已將硅用于各類光子應(yīng)用中的基本構(gòu)件。Katiyar等研究者表明，減小光學(xué)帶隙可捕獲能量小于硅基本能隙的光子，從而提高載流子遷移率。因此，在硅晶格上施加了雙軸拉伸應(yīng)變，并報告了其光響應(yīng)遠(yuǎn)超出材料的光學(xué)帶隙極限。

開發(fā)SWIR成像器件

為了證明SWIR成像能力，該團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。該陣列幫助激光雷達(dá)傳感器和生物啟發(fā)成像系統(tǒng)實現(xiàn)了成像技術(shù)。研究者使用光刻技術(shù)對光電二極管陣列矩陣進(jìn)行了構(gòu)建，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)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。然后研究者使用拉曼光譜法測量了不同厚度的硅納米膜的最大應(yīng)變值。研究者還計算了10納米厚的硅納米膜在0 ~ 4%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

研究者們使用由10 nm厚的硅納米膜設(shè)計而成單金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）型光電探測器，并研究了其應(yīng)變誘導(dǎo)的光敏可調(diào)性，同時，計算了應(yīng)變增加時每種波長的光響應(yīng)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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)載流子遷移率共同作用引起的。從理論上講，應(yīng)變可影響電荷載流子的遷移率，因此，隨著雙軸應(yīng)變的增加，MSM器件可達(dá)到超出硅基本光吸收極限（約1100 nm）的光敏能力。

Katiyar等研究者嘗試在應(yīng)變不斷增加的情況下，在SWIR波段內(nèi)監(jiān)測應(yīng)變引起的硅光電探測的可調(diào)諧性。為此，探究者通過施加應(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波段進(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，研究者將應(yīng)變誘導(dǎo)的SWIR成像擴展到了6 x 6凹凸結(jié)構(gòu)的Si-NM PD陣列原型。Katiyar等研究者證明了在材料經(jīng)受雙軸拉伸應(yīng)變后，硅的光響應(yīng)能力可提升，并具有SWIR光敏能力。為此，研究者們創(chuàng)建了使用凸起結(jié)構(gòu)上機械拉伸的薄硅納米膜來引入應(yīng)變的平臺。研究者還通過施加雙軸應(yīng)變來探測超出材料基本光吸收極限的入射光子，從而降低了硅的光學(xué)帶隙。這項研究實現(xiàn)了利用硅材料進(jìn)行SWIR探測，并有望應(yīng)用于硅基圖像傳感器和光伏電池。