Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 877

Найден способ многократно увеличить эффективность фотодетекторов и излучателей в инфракрасном диапазоне

Ученые ИФП СО РАН разработали наноструктуры с квантовыми точками «германий в кремнии» с контролируемыми параметрами и модифицировали эти структуры металлическими метаповерхностями

Об этом рассказал президент Российской академии наук академик Александр Сергеев на общем собрании РАН. Ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН разработали наноструктуры с квантовыми точками «германий в кремнии» с контролируемыми параметрами и модифицировали эти структуры металлическими метаповерхностями. Это позволило преобразовать внешнее инфракрасное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны. Свойства получившихся многослойных нанообъектов позволяют в десятки раз увеличить чувствительность фотодетекторов и эффективность излучателей света для ближнего и среднего инфракрасного диапазонов длин волн. Инфракрасные фотодетекторы и излучатели применяются в системах волоконно-оптической связи, приборах ночного видения.

Схематическое изображение массива металлических нанодисков Au или Al на поверхности структуры кремний-на-изоляторе с квантовыми точками германия

Схематическое изображение массива металлических нанодисков Au или Al на поверхности структуры кремний-на-изоляторе с квантовыми точками германия

 

В исследовательской работе принимали участие специалисты Новосибирского государственного университета, Томского государственного университета, Научно-практического центра по материаловедению НАН Беларуси. Результаты опубликованы в журналах «Scientific Reports», «Journal of applied physics», «Физика и техника полупроводников», «Письма в ЖЭТФ».

Работа проводилась в рамках проекта – «стомиллионника»: «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», победившего в конкурсе Минобрнауки России по приоритетным направлениям научно-технологического развития РФ, исследования поддержаны Российским научным фондом и Российским фондом фундаментальных исследований.

«Он (научный результат ― прим. авт.) получен в Институте физики полупроводников СО РАН. Там были созданы гетероструктуры, где на подложках кремния с квантовыми точками германий-кремний были добавлены двумерные периодические массивы металлических нанодисков из золота или алюминия. Оказывается, такая структура имеет уникальные светоизлучающие и детектирующие (сенсорные ― прим. авт.) характеристики благодаря возникновению сильных плазмонных эффектов. С учетом этих явлений удалось повысить квантовую эффективность фотоприемников на основе новых гетероструктур в 40 раз ― в ближнем инфракрасном диапазоне и в 15 раз ― в среднем инфракрасном диапазоне», ― отметил президент РАН.

Александр Михайлович Сергеев добавил, что у результатов большая практическая значимость, так как для изготовления таких структур можно использовать развитую кремниевую технологию. Именно кремниевая технология позволяет выпускать современные производительные гаджеты и компьютеры.

Поперечный разрез фотодетектора c регулярным массивом нанодисков золота или алюминия на структурах кремний-на-изоляторе

Поперечный разрез фотодетектора c регулярным массивом нанодисков золота или алюминия на структурах кремний-на-изоляторе

 

Полупроводниковые излучатели и фотоприемники в ближнем и среднем инфракрасных диапазонах используются в системах волоконно-оптической связи, мониторинга поверхности Земли из космоса, наблюдения за космическими объектами с поверхности Земли и космических станций. Для создания полупроводниковых излучателей и фотоприемников в инфракрасном диапазоне в основном применяются соединения А3В5 (например, арсенид галлия, арсенид галлия-индия). Но эти соединения весьма сложно синтезировать на кремниевых подложках, в отличие от вышеописанных структур с квантовыми точками «германий в кремнии».

«Мы давно работаем со структурами “германий-кремний” и умеем создавать упорядоченные, строго контролируемые массивы квантовых точек, “способные” к детектированию и излучению света в инфракрасном диапазоне. Объединив нашу технологию с последними достижениями в области плазмоники, мы добились многократного увеличения фотолюминисценции германий-кремниевых квантовых точек. Структуры с квантовыми точками “германий в кремнии” создавались на основе методов формирования упорядоченных ансамблей квантовых точек для усиления поглощения или излучения света полем упругих деформаций и введением локальных уровней в квантовые точки. Затем эти структуры с квантовыми точками были сопряжены с двумерными периодическими металлическими решетками субволновых нанодисков либо отверстиями в металлической пленке. Металлические нанодиски или отверстия в металлической пленке выступали в качестве метаповерхностей, позволяющих преобразовать внешнее электромагнитное излучение в поверхностные плазмон-поляритонные волны», — прокомментировал соавтор исследования, заведующий лабораторией ИФП СО РАН, член-корреспондент РАН Анатолий Васильевич Двуреченский.

Типичные изображения в сканирующем электронном микроскопе золотых (слева) и алюминиевых (справа) нанодисков на поверхности кремния с указанным масштабом длины 500 nm

Типичные изображения в сканирующем электронном микроскопе золотых (слева) и алюминиевых (справа) нанодисков на поверхности кремния с указанным масштабом длины 500 nm

 

Компоненты плазмоники и метаматериалов совместимы с электронными микросхемами благодаря используемым в плазмонике субволновым размерам и электропроводящим материалам. Поэтому плазмонные наносхемы обладают высоким потенциалом в миниатюризации интегрированных фотонных схем, обеспечивая связь между электроникой и фотоникой.

Квантовые точки — трехмерные фрагменты нанометровых размеров полупроводника, в котором носители заряда (электроны или дырки) локализованы и не могут свободно двигаться, во всех направлениях. Воздействуя на квантовую точку переменным электрическим полем, можно обеспечить испускание фотонов — миниатюрные источники излучения либо протекание электрического тока электронов — фотодетекторы.

Плазмон ― это псевдочастица, квант (неделимая порция) колебания свободных электронов в металле. Плазмонный эффект (резонанс) ― резонансные колебания электронов в металлических пленках, длина волны которых определяется строением пленки и диэлектрической функцией используемых металлов.

Работы велись в рамках проектов РНФ (№ 19-12-00070) и РФФИ (№ 18-52-00014).

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН

Александр Сергеев ИФП СО РАН излучатели света кремниевая технология плазмонные наносхемы фотодетекторы

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.