沙漏形硅纳米线光电二极管，有效提高光吸收率
2019-11-30 15:12:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近红外光是波长最短的红外光源。近红外光已广泛用于光通信、医疗激光、自动驾驶汽车的激光雷达和安防监控，从民用到国防领域均有覆盖。为了利用近红外光，通过光电探测器将光能有效转换为电能的技术至关重要。韩国浦项科技大学（POSTECH）的研究团队从沙漏原理获得灵感，成功开发了一种能够增强近红外吸收率的光电二极管。

该研究团队由Chang-Ki Baek教授领导，由研究教授Kim Kihyun Kim、创新IT工程学院的Myunghae Seo和电子电气工程学院的Sol Yoon组成。该团队开发了沙漏形的硅纳米线，利用传统的半导体工艺就能增强光响应。研究团队的成果于11月5日发表在世界著名电子工程杂志《自然·电子学》（Nature Electronics）。

上图：扫描电镜（SEM）图像——应用于光电二极管表面活化的沙漏状纳米线的顶部纳米锥及其横向放大图像；左图：8英寸硅晶圆上集成的光电二极管模组；中图：沙漏形光电二极管模组，从晶圆上切下并完成封装；右图：回音壁共振，发生于沙漏形纳米线的纳米锥中；下图：采用光电二极管模组的心率测量系统演示。

过去的近红外光电二极管采用化学材料制造。因此，由于噪音影响需要单独的冷却装置，且制造需要大面积的材料会导致成本高。模组的整合也非常困难。为了克服来自化学材料的上述困难，研究小组改用硅材料。此外，他们建议使用沙漏形硅纳米线来增加硅对近红外光的吸收率。

因为很小的波动也可以在纳米线的顶部被放大，光会引起回音壁模式共振。近红外光沿着纳米线的直径轴旋转并被吸收。因此，对延长波长有效。而且，纳米线底部的直径在垂直方向上逐渐增大，在这段空间内空气和硅之间的反射率之差逐渐增大，因此能有效地重新吸收从纳米线的顶部反射和/或穿透的光源。

研究团队证明，与现有平板结构的硅光电二极管相比，沙漏形纳米线在波长为1000nm的近红外光响应增加了29%。此外，新开发的光电二极管已应用于移动心率测量系统并进行演示。实际数据显示，与现有光电二极管相比，其显示的心率波形更明显且错误率降低了1%，从而得到了验证并确认具有商业化价值。

研究小组负责人Chang-Ki Baek教授在评论中谈到：“这项研究使用了能够以低成本量产且与半导体制造百分之百兼容的硅材料。这非常有意义，因为我们证明了在现有硅材料无法检测到的近红外波段，能够增加近红外光的响应，这可能是开发的器件采用纳米线结构，能优化近红外光的吸收率。并有望为各种领域提供光学解决方案，例如车载激光雷达、医用激光、军用夜视镜、图像传感器等。

延伸阅读：

《激光雷达技术及核心元器件-2019版》

《激光二极管和直接二极管激光器-2019版》

《激光雷达（LiDAR）技术及市场趋势-2019版》