Методы повышения чувствительности ультрафиолетовых фотодетекторов более чем на порядок представила команда российских ученых из нескольких вузов и институтов. Доступная технология основана на модификации материала наноструктурами золота и серебра. Метод легко реализуется в производственных масштабах. Разработка найдет применение в высокочувствительных детекторах для медицины, промышленности, оптоэлектроники.
Исследование объединило ученых из лабораторий наноэлектроники и эпитаксиальных нанотехнологий Санкт‑Петербургского национального исследовательского Академического университета им. Ж.И. Алферова РАН, лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций Санкт-Петербургского государственного университета, Института аналитического приборостроения РАН и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
УФ-фотодетекторы используются в разных областях и помогают исследовать процессы, в которых задействовано ультрафиолетовое излучение, — например, обнаруживать озоновые дыры. Сегодня особенно востребованы высокопроизводительные УФ-фотодетекторы: очень чувствительные, надежные, предоставляющие быстрый узкополосной отклик. Последнее означает, что из всего светового спектра «на входе» прибор должен выделять только одну спектральную линию. Это необходимо для высокой точности анализа, поскольку таким образом уменьшается влияние на результат побочных факторов.
Деталями технологии с корреспондентом «Научной России» поделились инженер лаборатории наноэлектроники Олеся Синицкая из Академического университета им. Ж.И. Алферова РАН, лаборант-исследователь лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ Талгат Шугабаев и младший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Кузнецов.
«Детекторы ультрафиолетового диапазона широко применяются в медицине, экологии, различных системах безопасности и т.д. В частности, узкополосные ультрафиолетовые фотодетекторы используются для калибровки ультрафиолетовых излучателей и детектирования пламени, а также в системах оптической связи и биофотонике», — рассказали исследователи.
Команда ученых изготовила и усовершенствовала УФ-фотодетекторы на основе нитрида галлия (GaN). Этот полупроводник широко применяется в электронике для повышения эффективности приборов и решения других задач благодаря его высокой проводимости и термической стабильности. Такие качества, наряду с широкой запрещенной зоной и устойчивостью к химическим воздействиям, делают нитрид галлия перспективным материалом для узкополосных фотодетекторов.
«Запрещенная зона — это одна из основных характеристик полупроводникового материала, показывающая, какую энергию нужно сообщить электрону, привязанному к своему атому за счет сил кулоновского притяжения, чтобы дать ему возможность оторваться и свободно перемещаться внутри кристалла (например, под действием электрического поля), — пояснили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — Чем меньше запрещенная зона, как, например, у кремния (1,1 эВ), тем легче задействовать эти электроны в процессе электропроводности. Чем запрещенная зона больше, как, например, у нитрида галлия (3,4 эВ), тем электронам сложнее оторваться от своих атомов. С точки зрения электроники это напрямую влияет на то, какие напряжения могут выдерживать приборы: чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше напряжение. Если говорить о взаимодействии полупроводника со светом, то здесь запрещенная зона определяет, в каком диапазоне длин волн полупроводник будет его поглощать, что имеет особое значение при разработке фотодетекторов. Как известно, свет — это поток фотонов, каждый из которых обладает фиксированной энергией: например, фотоны, соответствующие инфракрасному излучению, обладают меньшей энергией, чем фотоны ультрафиолетового диапазона. Поэтому, чтобы создать фотодетектор для конкретного спектрального диапазона, нужно подбирать материал таким образом, чтобы его запрещенная зона была меньше, чем энергия детектируемых фотонов. В случае с нитридом галлия его запрещенная зона обеспечивает возможность детектирования света ультрафиолетового диапазона (длины волн < 370 нм), при этом для бóльших длин волн он остается прозрачным, так как энергии фотонов не хватает, чтобы внешние электроны в материале поглотили их, что делает фотодетектор селективным».
Снимок поверхности гибридной наноструктуры (слой нитрида галлия, серебряные нитевидные нанокристаллы и золотые наночастицы), полученный с помощью электронного микроскопа.
Изображение взято из журнала Materials Science in Semiconductor Processing
В лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, как и в лабораториях Алферовского университета, уже много лет исследуются свойства нитрида галлия и создаются прототипы приборов на его основе. Причем ученые используют это соединение в разных видах: от тонких пленок и слоев до нитевидных нанокристаллов.
Сотрудники лаборатории СПбГУ разрабатывают полупроводниковые наноструктуры для разных сфер, их работы продолжают исследования выпускника вуза, лауреата Нобелевской премии по химии А.И. Екимова, посвященные улучшению квантовых технологий для микроэлектроники. Работая с узкополосными УФ-фотодетекторами на основе слоев нитрида галлия, созданными в Алферовском университете, физики СПбГУ выяснили, что повысить чувствительность этих устройств можно за счет добавления наноструктур серебра и золота. Увеличить эффективность детектора помогают плазмонные эффекты — колебание свободных электронов в металлах. Так, наноструктуры благородных металлов могут концентрировать энергию света за счет того, что на их поверхности возбуждаются плазмоны — особые локализованные электромагнитные волны.
«Полученные фотодетекторы демонстрируют высокую селективность к определенным длинам волн в ультрафиолетовом диапазоне. Мы проводили эксперименты по измерению фоточувствительности устройства в широком диапазоне длин волн. Пик фоточувствительности находится на длине волны 365 нм, что связано с шириной запрещенной зоны нитрида галлия. При этом полуширина спектра фоточувствительности детекторов после декорирования их поверхности серебряными нанонитями и золотыми наночастицами составила 8 нм. Иными словами, такая интеграция металлических и полупроводниковых материалов позволяет детектировать ультрафиолетовое излучение в диапазоне нескольких единиц нанометров», — отметили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов.
Испытания показали, что добавление нитевидных нанокристаллов серебра увеличило чувствительность фотодетекторов в 11 раз. Однако нанесение бóльшего количества этого металла не повышает, а снижает эффективность прибора из-за затенения активного слоя нитрида галлия. Решить проблему дальнейшего совершенствования фотодетекторов удалось с помощью нанесения наночастиц золота: в этом случае чувствительность УФ-фотодетекторов возрастала в 22 раза в сравнении с исходным показателем.
«Как было показано в работе, нанонити серебра позволяют концентрировать электромагнитное излучение под собой, тем самым эффективнее направляя его в кристалл нитрида галлия. Казалось бы, нанесение большего количества нанонитей на поверхность активной области фотодетектора должно улучшать ситуацию, но это не так. Дело в том, что при высоких концентрациях серебряных наноструктур расстояние между ними становится настолько маленьким, что электромагнитная волна при попадании на них начинает преимущественно отражаться — так, как будто мы светим на обыкновенное серебряное зеркало. Мы проверили это теоретически и экспериментально. Поэтому для задач подобного рода важно оптимизировать поверхностную плотность серебряных нанонитей, чтобы достичь максимального увеличения сигнала и при этом избежать эффектов затенения активной области, — поделились О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — И далее мы как раз подобрали необходимую поверхностную плотность нанонитей, при которой достигается максимальная фоточувствительность. Затем на полученные детекторы наносились золотые наночастицы сферической формы со средним диаметром 60 нм. И уже для таких наночастиц в исследуемом диапазоне поверхностной плотности эффекта затенения не наблюдалось».
Снимок фотодетектора с электродами, полученный с помощью оптического микроскопа.
Изображение взято из журнала Materials Science in Semiconductor Processing
Важно отметить, что новый метод предполагает использование доступных и недорогих технологий.
«Металлические наноструктуры на основе серебра и золота были синтезированы методами коллоидной химии. Это дешевая и относительно простая технология, которая, к тому же, отлично поддается масштабированию. Сам процесс переноса серебра и золота проводился с помощью покапельного нанесения коллоидного раствора наночастиц на рабочую поверхность фотодетектора», — объяснили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов.
Инновация открывает новые возможности в области создания гибридных полупроводниково‑металлических структур. Детали разработки ученые представили в статье в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.
«Нитрид галлия — распространенный материал для изготовления ультрафиолетовых фотодетекторов, однако ранее не было исследовано влияние интеграции таких устройств одновременно с серебряными нанонитями и золотыми наночастицами. Наше исследование, основанное на использовании контролируемых оптических свойств металлических наноструктур, показало потенциал гибридных материалов для создания высокочувствительных узкополосных фотодетекторов, — заключили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — Сейчас мы работаем над методикой по улучшению контроля пространственного положения наночастиц на рабочей области фотодетектора. Мы также проводим эксперименты по инкапсуляции поверхности серебряных нанонитей тонкими оксидными пленками — этот процесс необходим для сохранения характеристик фотодетектора во времени. После этого планируются испытания полученного прибора на производстве».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на превью: freepik / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
Источник изображений на странице: взяты из журнала Materials Science in Semiconductor Processing
