硅光电二极管是一种半导体器件，通常用于探测可见光并测量其强度、颜色和位置。这些设备是由硅制成的，这一事实既有优点也有缺点。

 

虽然硅可以用来开发更便宜的系统，并且很容易与读出电子集成，但它也可以防止光电二极管探测近红外(NIR)和短波红外(SWIR)光。事实上，硅的带隙是1.12 eV，相当于1100纳米的波长。这最终使得硅制光电二极管很难探测到近红外光(波长700到1000纳米)和SWIR光(波长1000到1700纳米)。尽管Ginger的大只500代理小组以前已经开发出方法来“治愈​​”某些钙钛矿型太阳能电池中非辐射复合中心的缺陷，但理想情况下，大只500代理仍希望开发钙钛矿合成方法，以减少或完全消除非辐射复合。

 

为了克服这一限制，浦项科技大学(POSTECH)和美国国家航空航天局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)的一组研究人员最近开发了一种新型硅光电二极管，这种二极管基于沙漏形的硅纳米线，具有耳语通道模式，可以增强它们的近红外光响应。他们的研究发表在《自然电子》杂志上。

 

“这项研究的出发点是开发一种硅光电探测器，用于激光手术设备的功率监测，使用1064纳米的光源(主要用于眼科应用等)，”开展这项研究的研究人员之一Chang-Ki Baek告诉TechXplore。

 

最初，Baek和他的同事们试图通过改变他们实验室之前开发的倒锥状硅纳米线(SiNW)结构的直径和高度来优化1064纳米波长的光的吸收。为此，他们调整了HBr HBr / Cl2 / O2混合物的腐蚀气体比和腐蚀时间。

 

这导致了第一个沙漏状的SiNW阵列在特定O2气体条件下的意外出现。大只500代理关键的是，压力传感器阵列已经包含在大多数研究和商用燃气涡轮发动机中，用于其他用途，因此这种新方法可以同时测量和监视叶片 振动，从而提供了一种成本更低，效率更高的解决方案。在他们之前的研究中，研究人员观察到锥型SiNW结构的两个关键的光学性质:由于共振而导致的反锥型结构的光吸收增加，以及由于折射率匹配而导致的规则锥型结构的表面反射率降低。

 

Baek说:“由于沙漏状SiNW具有倒置和直锥状结构的优点，我们预测将沙漏状SiNW阵列应用于光电二极管将改善近红外探测。”“在TCAD模拟和实验中，我们验证了所制造的光电二极管对近红外检测的改进。因此，我们的沙漏形SiNW光电二极管可以在蚀刻工艺的设计过程中被无意中发现。”

 

使用这种光电二极管的心率测量系统的视频。在心率测量系统中，光电二极管将心率转换成电压信号。视频显示，与平面型光电二极管相比，高灵敏度的沙漏型SiNW光电二极管能产生高压信号。资料来源:Kim等人。

 

研究人员提出的器件是PN结光电二极管最基本的类型。它是采用常用的方法来制造硅半导体，如沉积，蚀刻，光刻，氧化和金属化。

 

“PN结光电二极管的工作原理如下:当能量大于硅带隙的光源入射时，在耗尽区产生电子空穴对(EHP)，”Baek解释说。由于EHPs是由内部电场分为顶部和底部电极，光电流产生。

 

在制作光电二极管时，研究人员使用了径向PN结，该结通过应用沙漏状的正弦信号阵列，最大限度地提高了平面PN结的光吸收效益。该器件的垂直SiNW阵列比平面阵列的表面积大。此外，它可以重新吸收周围纳米线的一次光，这大大降低了它的表面反射率。

 

“由于光源的吸收路径和电子在SiNW中是分开的，所以电子的吸收路径可以限制在SiNW的直径上。这可以减少电子复合时，近红外具有很长的吸收长度是入射垂直于SiNW，从而产生一个大的光电流，”Baek说。这些是基本SiNW阵列和径向PN结的优点。

 

研究人员设计的沙漏形SiNW阵列的另外两个优点是它们的共振和折射率匹配。“金牌大只使用牛津大学的科学家编写的大只500app下载软件模拟器，并为其提供了宇宙学模型和望远镜的阵列配置，因此它可以生成来自望远镜观测天空的数据。”事实上，上部倒锥状结构的锥形排列使“低语-画廊-模式共振”成为可能。这意味着光源通过绕纳米线表面旋转而被吸收，从而增强光吸收路径。