通过应变工程将硅的吸收极限突破到短波红外波长范围

用于应变控制可拉伸PD的6×6 Si NM阵列器件的制造。（A）器件制造的示意图。RIE，反应离子蚀刻。（B）在PI涂层SiO2 / Si衬底上制作的器件的照片以及相应的器件截面放大图。（C）包含6×6 Si-NM PD阵列的鼓胀PI膜的凸（顶部）和凹（底部）半球形形状的SEM图像。

硅被广泛用于微电子工业中。但是它在光子学应用因为其能带带隙的限制被制约在可见和部分近红外波段。因此，研究人员利用应变工程技术的最新进展来调整材料特性，包括能带带隙。在最近发表在《Science Advances》上的一项最新研究中，Ajit K. Katiyar和韩国电子工程与材料科学领域的一组科学家报道了应变引起的硅（Si）带隙收缩。该工艺促进了光敏技术超出硅纳米膜的基本极限光电探测器（Si-NM PD的缩写）。该团队使用最大应变为3.5％的机械拉伸Si-NM PD像素以增强光响应性，并将硅吸收极限扩展至1550 nm，适用于激光雷达传感器和自动驾驶过程中的障碍物检测。然后，他们开发了具有凹凸半球形结构的可变形三维（3-D）光电电子框架，该原型受到昆虫眼睛的启发因此可用于广角光检测。

光电器件

低成本的柔性可弯曲光电设备，包括仿生成像系统，光电探测器和光伏电池可以在室温下在近红外（NIR）波长下工作。对于激光雷达传感器和用于自动驾驶汽车的传感器，人们迫切需要能够检测1300至2000 nm的短波红外（SWIR）光谱范围的光电探测器。激光雷达设备可自动观察周围物体360度，以作为无人驾驶车辆的眼睛。由于紫外-NIR波长的高功率光会损坏人眼的视网膜，因此SWIR光对于激光雷达系统至关重要。理论表明，硅的能带结构可以在压缩应变或拉伸应变的影响下得到显著改变。因此，材料科学家已将硅用作各种光子应用中的基本构件。例如，减小的光学带隙可以捕获能量小于硅本征能隙的光子，从而提高载流子迁移率。因此，Katiyar等人在Si晶格上施加了双轴拉伸应变，并证明它们的光响应远远超出了材料的光学带隙极限。

在20μmx 20μm尺寸的10 nm厚Si NM上制造的单个MSM器件的应变和光检测特性以及电子能带结构的理论计算。（A）10 nm厚Si NM样品随压力增加的拉曼光谱。光谱显示拉曼散射强度随着压力的增加而增强，并且峰位置向较低波数侧移动。au，任意单位。（B）在断裂之前通过凸起过程在不同厚度的Si NM中施加的最大双轴应变值。插图显示了断裂前（左下）和断裂后（右上）的Si NM。（C）10 nm厚Si NM的电子能带结构对应变的依赖，施加的双轴应变高达4％。（D）在理论计算中使用的〜10 nm厚Si NM原子排列的示意图。（E）从10nm厚的Si NM样品的计算出的能带图中提取的不同跃迁的带隙值，该样品经受了增加的双轴拉伸应变。

开发和表征SWIR成像设备

为了证明SWIR成像能力，该团队在薄聚合物基板上的超薄硅纳米膜上制造了金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器阵列。该设置帮助他们实现了成像技术，例如激光雷达传感器和仿生成像系统。科学家使用光刻技术对目标光电二极管阵列矩阵进行了构图，然后将构建体转移到聚酰亚胺（PI）膜上，并增加了样品架腔内的压力，使PI膜凸出并形成凹凸形状，同时保持了所制造的阵列不被破坏。然后他们使用拉曼光谱法测量了不同厚度的硅纳米膜样品中的最大应变值。Katiyar等人计算了10纳米厚的硅纳米膜样品在0到4％范围内不同施加的双轴应变值下的能带图，以了解带隙减小在SWIR光检测中的作用。

应变诱导的光响应和制造的PD阵列的成像特性。（A）6×6 Si-NM PD阵列设备的照片，安装在凸出的测试装置上，压力增加（比例尺，1 mm）。图片来源：延世大学Ajit K. Katiyar。（B）在405至1550 nm的不同波长的入射光下测量的单个10 nm厚的Si NM器件的应变相关瞬态光响应。该图揭示了在所施加的应变下，厚度超过10 nm的Si NM器件在Si光吸收波长范围（400至1100 nm）之外的光敏能力。在高于3.5％施加的双轴应变的1550 nm光下，可以看到清晰的光响应开/关。（C）在成像期间使用各种波长的光（比例尺，3 mm）捕获的Si-NM PD阵列设备的数码照片。（D）在不同波长的入射光下记录的相应光电流映射图像。

硅纳米膜光电探测器（Si-NM PD）的工作原理

科学家们使用由10 nm厚的硅纳米膜设计的单个金属-半导体-金属（MSM）型光电探测器，研究了应变诱导的光敏可调性。他们计算了应变增加时每个波长的光响应性。结果导致了这样的假设：增强的光响应是由增强的光吸收和在较高的应变下光诱导的载流子迁移率共同作用引起的。从理论上讲，应变可以实质上影响电荷载流子的迁移率，因此，随着双轴应变的增加，MSM器件显示出超出硅基本光吸收极限（约1100 nm）的光敏能力。

从应变不断增加的6×6 Si-NM PD阵列获得的光学成像系统和物体图像的概述。（A）整个成像系统和光学装置的示意图，用于对包含准直光源，荫罩和设备阵列的字母Y进行成像。（B）用于Y字母成像的示意图的放大图。（C）在1310nm的入射光下随着应变压力的增加而记录的代表字母的光电流映射图像。随着施加压力的增加，光电流的增加是明显的，这是每个Si NM像素应变增加的结果。（D）凸半球几何形状下制造的PD像素阵列的摄影图像和相应的获取的映射图像。激光从PD阵列两侧的法线以约20°的入射角投射。

然后在应变不断增加的情况下，在SWIR波长范围内监测应变引起的硅光电探测的可调谐性。为此，他们通过施加应变来改变其晶体结构，从而改变硅晶体的晶格间距，从而在SWIR区域进行光吸收。在确认了具有代表性的单硅MSM器件的SWIR光敏特性后，他们将应变诱导的SWIR成像扩展到了凹凸结构的6 x 6 Si-NM PD阵列原型。

演示应变诱发的调优和受生物启发的凹凸结构

为了证明应变诱导的调谐及其对光敏技术的影响，Katiyar等人。记录字母“ Y”的光电流图形，该图形首先以荫罩的形式制造在玻璃基板上。在达到约1.8％的应变水平后，他们记录了可观的光电流，以在1310 nm SWIR光下清晰地成像“ Y”。随着凸出测试腔中的应变压力增加，每个光电二极管像素中的应变也增加，最终增加了光电流的进程，以最大3.5％的应变实现图像。使用压力诱导的鼓胀方法，研究小组实现了Si-NM PD像素阵列的凸半球结构，该结构也受到昆虫复眼的启发用于广角光检测。

影片显示了“Y”形的实时成像，其中1310 nm的光投射到经受不同应变水平的Si NM PD阵列系统上。左面板显示使用通过DAQ单元从每个PD像素收集的输出数据生成的归一化彩色编码比例的实时光电流图。右侧面板显示了测量系统，该系统由安装在凸起测试装置上的PD阵列设备，光纤引导的1310 nm激光和用于可视化入射激光脉冲的IR卡组成。可以清楚地注意到，当PD像素处于零应变水平时，它们没有光响应。当光暴露在承受〜3.5％的最大双轴应变的PD阵列上时，可以实现代表“ Y”形的清晰通断。

该团队以相反的方式对光电二极管（PD）像素阵列进行了类似的设计，以产生凹形结构。具有颠倒的半球形几何形状的PD像素的凹面布置模仿了哺乳动物眼睛的凹面焦平面。使用凹面设置，该小组在1310 nm曝光和不同应变压力下类似地对字母“ Y”进行了应变驱动成像。接下来，研究小组用平面和凹面架构下的光电二极管矩阵阵列记录了字母“ I”的光电流图案，以了解凹面在成像上的优势，并指出凹透镜为字母“ I”提供了一致而清晰的表示。

这样，Ajit K. Katiyar及其同事证明了在使材料经受双轴拉伸应变后，硅具有改进的光响应和SWIR（短波长红外）光敏能力。他们创建了一个平台，该平台使用了在凸起结构上机械拉伸的硅纳米薄膜来引入应变。他们通过施加双轴应变来检测入射光子超出材料的基本光吸收极限，从而降低了硅的光学带隙。该团队展示了使用具有SWIR光的6 x 6矩阵金属-半导体-金属光电二极管阵列的成像能力。然后，研究人员使用半球形的凹凸形状构造了可以模仿生物眼睛的几何形状。这项工作允许通过应变工程在硅中进行SWIR感测，并有望在整个硅基图像传感器和光伏电池领域得到应用。