< Terug naar vorige pagina

Project

Energielandschapsarchitectuur van apparaten met dunne-filmbeeldsensoren

Titel: Energielandschapsarchitectuur van apparaten met dunne-filmbeeldsensoren Promotor: Paul Heremans Korte beschrijving van het voorgestelde proefschriftonderzoek: Het doel van dit doctoraat is het verkrijgen van een volledige beschrijving van de elektronische bandstructuur (inclusief banduitlijning) van de dunne-filmlaagstapels voor fotodiodes. Deze dunne-filmmaterialen worden afgezet door een oplossingsproces (polymeren, metaaloxiden of kwantumdots) of door verdamping (organische kleine moleculen, metaaloxiden). De uitlijning van de energieband van een volledige fotodiodestapel die uit minimaal 5 verschillende materialen bestaat, heeft een sterke invloed op de belangrijkste prestatiestatistieken. Daarom zijn de primaire doelen van dit doctoraat het bepalen van de energiestructuren van de gebruikte dunne-film halfgeleiders en de grensvlakeffecten tussen lagen. Een samenwerking tussen de materiaalkarakteriserings- en dunnefilmfabricagegroepen zal zorgen voor de diepgaande karakterisering van dunne films met behulp van respectievelijk foto-emissiespectroscopie (röntgen- en ultraviolette foto-emissiespectroscopie (XPS & UPS)) en dunne-film fotodiodefabricage. Deze studie zal een diepgaand begrip opleveren van dunne-film fotodiode-energiestructuren en hun impact op de prestaties van fotodiodes, wat de optimalisatie van fotodiode voor hoogwaardige imagers zal vergemakkelijken. Gedetailleerd voorstel: Omdat infrarood (IR) beeldvorming de voordelen heeft dat ze minder worden verstrooid door deeltjes kleiner dan de golflengte, werd het de eerste keuze voor toepassingen zoals bewaking, raketgeleidingssystemen, machinevisie, industriële inspectie, satellietbeeldvorming en spectroscopie [1– 3]. In de afgelopen jaren zijn biometrische sensoren voor gezichtsherkenning en lichtdetectie- en bereiksystemen (LiDAR) voor dieptewaarneming op basis van IR-beeldvorming standaardfuncties geworden voor consumentensmartphones. Tegelijkertijd zullen nieuwe toepassingen zoals augmented en virtual reality (AR-VR) en autonome auto's blijven verschijnen onder de schijnwerpers van IR-beeldvorming [3-6]. Silicium is de ultieme materiaalkeuze voor de state-of-the-art zichtbare en nabij-infrarood (300 – 1000 nm) imagers. Voorbij het spectrale bereik van silicium zijn epitaxiaal gegroeide halfgeleiders zoals InGaAs en HgCdTe goede absorbers van IR-licht, maar de integratie met CMOS-uitlees-IC met flip-chip-architectuur is nadelig voor het verkrijgen van hoge resolutie-imagers [2, 6]. Dit is waar dunnefilmoplossing halfgeleidende materialen zoals organische kleine moleculen en polymeren, kwantumdots (QD) en perovskieten verwerkt, met duidelijke voordelen zoals monolithische CMOS-integratie, spectrale afstembaarheid, fabricage van grote oppervlakken bij kamertemperatuur, verwerkbaarheid op flexibele ondergronden [2, 7]. De fotodiode is ongetwijfeld het belangrijkste onderdeel van een imager, aangezien deze verantwoordelijk is voor de detectie van licht, dus het goed begrijpen van de kenmerken van de fotodiode is een van de belangrijkste stappen om een imager van hoge kwaliteit te realiseren. In tegenstelling tot op silicium en InGaAs gebaseerde fotodiodes, waar de kenmerken van het apparaat goed worden begrepen en materialen uitgebreid worden bestudeerd [8-9], zijn de dunne-film fotodiodes (TFPD) relatief onontgonnen in termen van apparaatkenmerken en materiaalperspectieven. Een dunnefilmfotodiode bestaat over het algemeen uit minimaal 5 verschillende materialen waarbij de grensvlakeffecten en energiebanduitlijningen bijzonder belangrijk zijn om de kenmerken van het apparaat te begrijpen, aangezien de transporteigenschappen afhankelijk zijn van de geleidings- en valentiebanddiscontinuïteiten die het verschil in bandgap tussen de materialen opvangen , beter bekend als de conductie- en valentiebandoffsets [10]. Het afstemmen van de energie-offsets tussen lagen kan dus voordelige of nadelige gevolgen hebben voor de prestatiestatistieken van het apparaat, die uitgebreid moeten worden bestudeerd om de TFPD-prestaties te verbeteren. Daarom zal het primaire doel van dit doctoraat zijn om de energiestructuur van de gebruikte zachte halfgeleiders te onderzoeken en een correlatie vast te stellen tussen prestatiestatistieken en energetische factoren met als doel de TFPD te optimaliseren. Om de energie van de TFPD-materialen en apparaten te bepalen, is het onderliggende meetkader voor betrouwbare en reproduceerbare energiemetingen met behulp van geavanceerde foto-emissietechnieken zoals XPS en UPS voor deze dunne-filmhalfgeleiders een uitdagende taak. Deze technieken zijn zeer oppervlaktegevoelig en samen met de gevoeligheid van de dunne films voor de omgevingsomstandigheden, maakt de ex-situ meting sterk afhankelijk van geschikte oppervlaktereiniging voordat er zinvolle gegevens worden verzameld [11]. Het ontwikkelen van goede meetkaders voor de gebruikte dunne-film halfgeleiders is dan ook een van mijn eerste doelen als promovendus. Daarentegen is het anticiperen op apparaatkarakteristieken op basis van energie van dunne-filmstapels mogelijk niet voldoende om alle prestatiestatistieken van een TFPD te begrijpen, gezien de inherente energiestoornis van zachte halfgeleiders zoals organische stoffen [12], maar een dergelijke volledige energiestructuur van fotodiodestapel zal al een geweldige prestatie zijn in termen van het begrijpen van materiaal en interface vanuit een fundamenteel fysiek apparaatperspectief. Aangezien QD en organische stoffen opmerkelijke variaties in materiaaleigenschappen vertonen op basis van respectievelijk het type ligand en de chemische groepen die eraan gehecht zijn, zijn een selectie van geschikte TFPD-materialen en verdere optimalisatie van apparaten de grote uitdagingen die de komende jaren moeten worden overwonnen [14]. Door materialen te selecteren op basis van energetische eigenschappen, kan ik idealiter de juiste materialen kiezen en daarna kan apparaatoptimalisatie worden vergemakkelijkt door de uitlijning van de energieband te manipuleren. In mijn predoctoraal onderzoeksproject aan de KU Leuven en imec ben ik al begonnen met de energetische meting van dunne films met behulp van de foto-emissietechnieken XPS en UPS waarbij de energieën van valentiebandminima (VBM)/hoogste bezette moleculaire orbitaal (HOMO) voor anorganische en organische materialen kunnen respectievelijk worden geëxtraheerd uit de foto-emissiespectra. Verdere analyse van VBM-spectra, Fermi-rand en bandgap van de materialen biedt de mogelijkheid om ook conductiebandmaxima (CBM), ionisatie-energie, werkfunctie en elektronenaffiniteit te extraheren om de volledige energiestructuur van een dunnefilmmateriaal te bepalen. Tijdens mijn predoctorale periode staarde ik met een organische fotodiode (OPD)-stack waar ik een volledige energiestructuur van de stack bepaalde om de correlatie te ontwikkelen tussen de energetica en de belangrijkste prestatiestatistieken van het apparaat, zoals donkerstroom, externe kwantumefficiëntie. Het plan voor het eerste jaar PhD is om de energiestructuren van verschillende OPD-stacks te vergelijken om een correlatie tussen prestatiestatistieken en energetica af te leiden. In de komende jaren zal ik de energie van kwantumdots analyseren, afhankelijk van verschillende liganduitwisselingen en processtromen om de kwantumdotfotodiode (QDPD) te optimaliseren. Een goed functionerende IR-imager op basis van QDPD is al gerealiseerd met monolithische CMOS-uitlees-IC-integratie, maar een verdere verbetering van de QDPD-fotodiode is vereist voor betere kwaliteit en betrouwbare imagers [3]. Met zeer weinig informatie over de QD-energys die beschikbaar zijn in de literatuur, is dit een hele uitdaging, aangezien de eerste stap om de QDPD-prestaties te verbeteren, is om de kenmerken van QD-dunne films en hun interfaces te begrijpen. Bovendien kunnen optische en elektrische eigenschappen van kwantumdots heel verschillend zijn, afhankelijk van de grootte en het ligand, wat verdere ambiguïteit veroorzaakt om de juiste materialen en respectieve optimalisatieschema's te kiezen om beter presterende fotodiodes te bereiken. Energielandschapsarchitectuur van kwantumdots kan fundamenteel begrip bieden van elektronische en optische transportparameters om de correlatie tussen de apparaatprestaties en de elektronische bandstructuur te begrijpen. Een dergelijke studie zal een nieuwe dimensie toevoegen aan de kennis van dunne-film kwantumdots van energetica en zal het QDPD-optimalisatieproces vergemakkelijken. Referenties: [1] Rieger C. J. en Frank G Carpenter 1959 Lichtverstrooiing door Commercial Sugar Solutions Journal of Research van National Bureau of Standards-A. Natuurkunde en scheikunde 63A [2] P.E. Malinowski et al., 'Thin-film quantum dot fotodiode voor monolithische infraroodbeeldsensoren', Sensors, vol. 17, nee. 12, blz. 2867, 2017. [3] E. Georgitzikis, doctoraal proefschrift, Infrared Sensitive Thin-Film Photodetectors for Integration on Top of CMOS, KU Leuven [4] R. S. Ghiass, O. Arandjelović, A. Bendada en X. Maldague, 'Infrared gezichtsherkenning: een uitgebreid overzicht van methodologieën en databases', Pattern Recognit., vol. 47, nee. 9, blz. 2807-2824, september 2014 [5] Fei Liu en Stefan Seipel, 'Infrarood-zichtbare beeldregistratie voor augmented reality-gebaseerde thermografische gebouwdiagnostiek', Visualization in Engineering, vol. 3, nee. 1, blz. 16, 2015 [6] Livache, C., Martinez, B., Goubet, N. et al. Een colloïdale kwantumdot-infraroodfotodetector en het gebruik ervan voor intrabanddetectie. Nat Commun 10, 2125 (2019) [7] PE Malinowski et al., 'Miniaturisatie van NIR/SWIR-beeldsensoren mogelijk gemaakt door dunne-film fotodiode monolithische integratie', in Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) II , maart 2021, p. 31. [8] K. Yamada et al., 'High-performance siliciumfotonicatechnologie voor telecommunicatietoepassingen', Science and Technology of Advanced Materials, vol. 15, nee. 2, blz. 024603, april 2014, doi: 10.1088/1468-6996/15/2/024603. [9] D. Yin, T. He, Q. Han, Q. Lü, Y. Zhang en X. Yang, 'High-responsivity 40 Gbit/s InGaAs/InP PIN-fotodetectoren geïntegreerd op silicium-op-isolator golfgeleidercircuits ”, J. Semicond., vol. 37, nee. 11, blz. 114006, nov. 2016, doi: 10.1088/1674-4926/37/11/114006. [10] M. Peressi, N. Binggeli en A. Baldereschi, 'Band engineering op interfaces: theorie en numerieke experimenten', J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 31, nee. 11, blz. 1273-1299, juni 1998. [11] S. Olthof, 'De impact van UV-foto-elektronenspectroscopie op het gebied van organische opto-elektronica - een terugblik', Adv. Optisch Mater., vol. 9, nee. 14, blz. 2100227, juli 2021. [12] P. Li, G. Ingram, J.-J. Lee, Y. Zhao en Z.-H. Lu, 'Energiestoornis en afstemming van energieniveau tussen gastheer en doteringsstof in organische halfgeleiders', Commun Phys, vol. 2, nee. 1, blz. 2 december 2019. [13] D. M. Kroupa et al., 'Afstemming van colloïdale kwantumpuntbandrandposities door modificatie van oppervlaktechemie in oplossingsfase', Nat Commun, vol. 8, nee. 1, blz. 15257, augustus 2017.

Datum:15 okt 2021 →  Heden
Trefwoorden:Photodiode, Thin-film, Quantum dots, Organics, Thin-film imagers, Material characterization, X-ray photoelectron spectroscopy, Ultraviolet photoelectron spectroscopy, Energy band alignment
Disciplines:Semiconductor toepassingen, nanoelektronica en technologie, Fotodetectoren, optische sensoren en zonnecellen, Nanoschaalkarakterisering, Spectroscopische methoden
Project type:PhD project