Hiper katkılı silikon fotodiyot, oda sıcaklığında kısa dalga kızılötesi algılamayı geliştirir

Elektromanyetik spektrumun insan gözüyle görülebilen ışığın hemen ötesindeki bir bölgesi olan kısa dalga kızılötesi (SWIR) ışığın algılanması, birçok gerçek dünya uygulaması için avantajlı olabilir. Örneğin, geceleri görüntü yakalamak için daha gelişmiş sistemlerin yanı sıra gelişmiş tıbbi görüntüleme, çevresel izleme ve endüstriyel denetim teknolojilerini de etkinleştirebilir.

Potansiyellerine rağmen, şu ana kadar geliştirilen SWIR tespit cihazlarının çoğu, mevcut elektronik donanıma entegre edilmesi genellikle zor olan pahalı yarı iletken malzemelere dayanmaktadır. Bunun nedeni elektronik endüstrisinde en yaygın kullanılan yarı iletken olan silikonun geniş bant aralığı nedeniyle SWIR fotonlarını absorbe edememesidir.

Madrid Complutense Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, SWIR ışığını verimli bir şekilde emebilen ve mevcut elektronik üretim süreçleriyle uyumlu bir silikon fotodiyot geliştirdi. Yeni cihaz, yayınlanan bir makalede tanıtıldı. Fiziksel İnceleme Mektuplarıyüksek konsantrasyonda tellür (Te) atomu katkılı silikon bazlıdır.

Makalenin ilk yazarı Eric García-Hemme, CEİD’a şöyle konuştu: “Bu araştırmadaki temel hedefimiz, esasen SWIR teknolojisini ‘demokratikleştirmek’ti.”

“Şu anda SWIR tespiti, InGaAs gibi pahalı malzemelere dayanıyor, ancak silikonun bu spektrumda görülmesini sağlayarak üretim maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir ve kitlesel pazar uygulamalarına kapıyı açabiliriz. Foto algılama için hiper katkılı silikon üzerinde çalışan bilim topluluğu bir performans tavanına ulaşmıştı.

“Sorunu analiz ettiğimizde, malzemenin SWIR ışığını başarıyla algılamasına rağmen, kullandığımız (termodinamik dengenin dışında çalışan) özel üretim yöntemlerinin yalnızca çok ince aktif katmanlar oluşturmamıza izin verdiğini fark ettik.”

Araştırmacılar, hiper katkılı silikona dayalı SWIR dedektörleri oluşturmayı amaçlayan daha önceki çabaları incelediklerinde, daha önce üretilen malzemelerin gelen ışığın çoğunu absorbe edemeyecek kadar ince olduğunu fark ettiler. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, bir malzemenin ışık emme özelliklerini kalınlığından ayırmaya çalıştılar.

García-Hemme, “Silikon yüzeye piramitlerle mikro doku kazandırmak ve altın bir ayna eklemek de dahil olmak üzere gelişmiş ışık yakalama teknikleri uyguladık” dedi. “Bu mimari, ışığı ince hiper katkılı katman içinde ileri geri yansıtmaya zorlayarak optik yolunu önemli ölçüde artırıyor ve cihazın genel foto tepkisini önemli ölçüde artırıyor.”

Silikonun kızılötesi algılamasının geliştirilmesi

Tipik olarak silikon, SWIR spektrumunun çoğuna karşı şeffaftır, çünkü bu aralıktaki fotonlar, elektronları nispeten geniş bant aralığı boyunca itmeye yetecek kadar enerji taşımazlar. García-Hemme ve meslektaşları bu nedenle hiperdoping adı verilen bir işlem yoluyla silikon kafesi yüksek konsantrasyonda Te atomu ile yerleştirerek ek enerji seviyeleri yaratmaya çalıştılar.

García-Hemme, “Bu, malzemenin içinde yeni ara enerji seviyelerini ortaya çıkarıyor” diye açıkladı. “Bunları, düşük enerjili SWIR fotonlarının elektronları uyarmasına ve bir elektrik sinyali üretmesine izin veren basamak taşları olarak düşünebilirsiniz. Mikro piramitler ve bir arka altın aynayla birleştiğinde, maksimum emilimi sağlamak için ışığı fiziksel olarak aktif katmanın (hiper katkılı katman) içine hapsediyoruz.”

Ekibin yeni geliştirdiği fotodiyot, standart tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) üretim yöntemleriyle uyumlu. Halen temel olarak silikon bazlı olduğundan, mevcut bilgisayar çipleri, akıllı telefon kameraları ve diğer bazı elektronik bileşenleri üreten aynı endüstriyel tesislerde üretilebilir.

Fotodiyotun bir başka avantajı da oda sıcaklığında verimli bir şekilde çalışmasıdır. Bu, bazı kızılötesi dedektörlerin ihtiyaç duyduğu hantal, karmaşık ve pahalı soğutma sistemlerine ihtiyaç duymadığı anlamına gelir.

García-Hemme, “Potansiyelini göstermek için sıfır önyargıda çalışan fotodiyotun optik tepkisini ve elektriksel gürültüsünü test ettik” dedi. “4×10 spesifik bir tespite ulaştık¹⁰ Jones tarafından oda sıcaklığında ve 1,5 um dalga boyunda test edildi; bu, hiperkatkılı silikon için rekor bir performans kilometre taşıdır. Bu, yüksek hassasiyetli SWIR tespitinin, düşük maliyetli, seri üretilebilir silikon teknolojisi kullanılarak pratik olarak uygulanabilir olduğunu kanıtlıyor.”

İlk testlerde, yeni SWIR algılayıcı fotodiyot, 1,27 mikrometrede %2,3’lük tepe harici kuantum verimliliğiyle gelen ışığın yaklaşık %85’ini emerek olağanüstü sonuçlar elde etti. Bu verimlilik, pozitif katkılı (P), katkısız (I) ve negatif katkılı (N) silikon katmanını birleştiren ticari olarak temin edilebilen silikon ışık dedektörlerinin elde ettiği verimden yaklaşık 1000 kat daha yüksektir.

Entegre oda sıcaklığı kızılötesi sensörlerinin önünü açıyor

Ekibin fotodiyotunun, SWIR ışığını tespit etmede silikon ve hiper katkılı malzemelere dayanan daha önce bildirilen tüm dedektörlerden daha iyi performans gösterdiği bulundu. Gelecekte, belirli uygulamalara yönelik cihazlar oluşturmak için daha da geliştirilebilir ve diğer elektronik bileşenlerle entegre edilebilir.

García-Hemme, “Aslında bu malzemelerin temel kalınlık sınırlamalarının üstesinden gelmenin mümkün olduğunu kanıtladık, bu da silikonu doğal olarak kör olduğu bir spektruma karşı oldukça hassas hale getiriyor” dedi. “Pratik çıkarımlar çok heyecan verici, çünkü bu çalışma üst düzey bilimsel enstrümantasyon ile günlük tüketici elektroniği arasındaki boşluğu kapatabilir.”

Yeni fotodetektör silikon bazlı olduğundan ve kriyojenik soğutma gerektirmediğinden, nispeten düşük bir maliyetle büyük ölçekte üretilebilecek. Kameralarla birleştirilirse gece görüşü ve yüz tanıma yeteneklerini geliştirmek için potansiyel olarak akıllı telefonlara, tabletlere ve dizüstü bilgisayarlara doğrudan entegre edilebilir. Ayrıca otonom araçlara da eklenebilir ve olumsuz hava koşullarında, sisli veya az ışıklı durumlarda güvenliklerini potansiyel olarak artırabilir.

García-Hemme, “Tam olarak bu malzeme ve mimariyi temel alan bir SWIR görüntü sensörünün konsept kanıtı üzerinde zaten çalışıyoruz” diye ekledi.

“Bu sonraki aşama için ana hedefimiz, standart CMOS üretim tekniklerini sıkı bir şekilde kullanarak, basit geometrik formları ayırt edebilen işlevsel bir görüntüleyici oluşturabileceğimizi göstermektir. Bu teknolojiyi tek bir fotodiyottan temel görüntüleme dizisine başarıyla ölçeklendirmek, gerçek dünya uygulamaları için ticari uygulanabilirliğini doğrulamak için kritik bir adım olacaktır.”