硅被廣泛用于微電子工業(yè)中，但其光子學應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)的光學帶隙。因此，研究人員利用應變工程技術的最新進展來調(diào)整光學帶隙等材料特性。在最近發(fā)表在《科學進展》上的一項最新研究中，韓國延世大學（Yonsei University）的Ajit K. Katiyar及其研究團隊報告了應變引起的硅（Si）帶隙收縮，該工藝促進了超出硅納米膜基本極限的光電探測器（Si-NM PD）的發(fā)展。

該團隊使用最大應變3.5%的機械拉伸Si-NM PD像素以增強光響應性，并將硅吸收極限擴展至1550 nm，適用于激光雷達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構的可變形三維（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，是受到昆蟲生物學眼睛的啟發(fā)。

低成本光電設備

低成本的柔性可彎曲光電設備，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光對于激光雷達系統(tǒng)至關重要。理論上，硅的能帶結構可在壓縮應變或拉伸應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用中的基本構件。Katiyar等研究者表明，減小光學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變，并報告了其光響應遠超出材料的光學帶隙極限。

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-半導體-金屬（MSM）型光電探測器陣列。該陣列幫助激光雷達傳感器和生物啟發(fā)成像系統(tǒng)實現(xiàn)了成像技術。研究者使用光刻技術對光電二極管陣列矩陣進行了構建，然后將構建體轉移到聚酰亞胺（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厚的硅納米膜設計而成單金屬-半導體-金屬（MSM）型光電探測器，并研究了其應變誘導的光敏可調(diào)性，同時，計算了應變增加時每種波長的光響應性。結果發(fā)現(xiàn)：增強的光響應是由增強的光吸收和在較高的應變下光誘導載流子遷移率共同作用引起的。從理論上講，應變可影響電荷載流子的遷移率，因此，隨著雙軸應變的增加，MSM器件可達到超出硅基本光吸收極限（約1100 nm）的光敏能力。

Katiyar等研究者嘗試在應變不斷增加的情況下，在SWIR波段內(nèi)監(jiān)測應變引起的硅光電探測的可調(diào)諧性。為此，探究者通過施加應變來改變或減小其晶體結構，以改變硅晶體的晶格間距，從而在SWIR波段進行光吸收。在確認了具有代表性的單硅MSM器件的SWIR光敏特性后，研究者將應變誘導的SWIR成像擴展到了6 x 6凹凸結構的Si-NM PD陣列原型。Katiyar等研究者證明了在材料經(jīng)受雙軸拉伸應變后，硅的光響應能力可提升，并具有SWIR光敏能力。為此，研究者們創(chuàng)建了使用凸起結構上機械拉伸的薄硅納米膜來引入應變的平臺。研究者還通過施加雙軸應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帶隙。這項研究實現(xiàn)了利用硅材料進行SWIR探測，并有望應用于硅基圖像傳感器和光伏電池。