Российские ученых из нескольких вузов и институтов предложили методы, позволяющие увеличить чувствительность ультрафиолетовых фотодетекторов более чем на порядок. Технология, доступная для практического применения, заключается в изменении материала посредством нанесения наноструктур золота и серебра. Описанный метод можно легко масштабировать для промышленного производства. Разработка будет использована в высокочувствительных детекторах для медицины, промышленности, оптоэлектроники.
В совместном исследовании приняли участие ученые 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 находят применение в различных сферах и используются для изучения процессов, связанных с ультрафиолетовым излучением, в частности, для выявления озоновых дыр. В настоящее время особенно ценятся высокопроизводительные УФ-фотодетекторы, отличающиеся высокой чувствительностью, надежностью и способные обеспечивать быстрый, узкополосный отклик. Это подразумевает, что прибор должен фиксировать только одну спектральную линию из всего спектра, поступающего на вход. Такая особенность необходима для обеспечения высокой точности анализа, поскольку она позволяет снизить влияние посторонних факторов на результаты.
Инженер лаборатории наноэлектроники рассказал корреспонденту «Научной России» о нюансах технологии 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.
«Устройства, фиксирующие ультрафиолетовое излучение, находят широкое применение в медицине, экологии, системах безопасности и других областях. В частности, узкополосные ультрафиолетовые фотодетекторы используются для калибровки источников ультрафиолетового излучения, обнаружения пламени, а также в системах оптической связи и биофотонике», — рассказали исследователи.
Ученые разработали и оптимизировали УФ-фотодетекторы, использующие нитрид галлия ( GaN). Этот полупроводник находит широкое применение в электронике для повышения эффективности устройств и решения других задач. Его высокая проводимость и термическая стабильность обеспечивают такие возможности. Сочетание этих характеристик, а также широкая запрещенная зона и устойчивость к химическим воздействиям, делают нитрид галлия перспективным материалом для создания узкополосных фотодетекторов.
«Запрещенная зона – ключевая характеристика полупроводниковых материалов, определяющая энергию, необходимую для высвобождения электрона, удерживаемого атомом посредством сил кулоновского притяжения, и обеспечения его возможности свободно перемещаться в кристаллической структуре, например, под воздействием электрического поля), — пояснили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — Чем меньше ширина запрещенной зоны, как, например, у кремния (1,1 эВ), тем проще использовать эти электроны для электропроводности. Чем больше ширина запрещенной зоны, как, например, у нитрида галлия (3,4 эВ), тем труднее электронам преодолеть связь с атомами. С точки зрения электроники это непосредственно влияет на величину напряжения, которое могут выдерживать устройства: чем шире запрещенная зона, тем выше допустимое напряжение. При рассмотрении взаимодействия полупроводника со светом, запрещенная зона определяет диапазон длин волн, которые полупроводник будет поглощать, что особенно важно при создании фотодетекторов. Как известно, свет представляет собой поток фотонов, каждый из которых обладает определенной энергией: например, фотоны, соответствующие инфракрасному излучению, имеют меньшую энергию, чем фотоны ультрафиолетового диапазона. Поэтому для разработки фотодетектора, предназначенного для работы в конкретном спектральном диапазоне, необходимо выбирать материал с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем энергия детектируемых фотонов. В случае с нитридом галлия его запрещенная зона позволяет детектировать свет ультрафиолетового диапазона (длины волн < 370 нм), в то время как для более длинных волн он остается прозрачным, поскольку энергии фотонов недостаточно для поглощения внешними электронами материала, что обеспечивает селективность фотодетектора».
В лаборатории новых полупроводниковых материалов для квантовой информатики и телекоммуникаций СПбГУ, подобно лабораториям Алферовского университета, на протяжении многих лет изучаются характеристики нитрида галлия и разрабатываются опытные образцы устройств, использующих это вещество. Исследования охватывают различные формы нитрида галлия, включая тонкие пленки, слои и нитевидные нанокристаллы.
В лабораториях СПбГУ создаются полупроводниковые наноструктуры для применения в различных областях. Эти разработки опираются на исследования, проведенные выпускником вуза, лауреатом Нобелевской премии по химии А.И. Екимовым, и направлены на совершенствование квантовых технологий для микроэлектроники. Изучая узкополосные УФ-фотодетекторы на основе нитрида галлия, созданные в Алферовском университете, ученые из СПбГУ установили, что чувствительность этих устройств можно увеличить путем добавления наноструктур серебра и золота. Повышение эффективности детектора обеспечивается плазмонными эффектами – колебаниями свободных электронов в металлах. Благодаря этому наноструктуры благородных металлов способны концентрировать энергию света, поскольку на их поверхности возникают плазмоны – особые локализованные электромагнитные волны.
«Полученные фотодетекторы характеризуются высокой селективностью к определенным длинам волн в ультрафиолетовой области спектра. Для определения фоточувствительности устройства проводились измерения в широком диапазоне длин волн. Максимальная фоточувствительность наблюдается на длине волны 365 нм, что обусловлено шириной запрещенной зоны нитрида галлия. После обработки поверхности фотодетекторов серебряными нанонитями и золотыми наночастицами полуширина спектра фоточувствительности составила 8 нм. Таким образом, интеграция металлических и полупроводниковых материалов позволяет детектировать ультрафиолетовое излучение в диапазоне, составляющем несколько нанометров», — отметили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов.
Тестирование продемонстрировало, что включение нитевидных нанокристаллов серебра повысило чувствительность фотодетекторов в одиннадцать раз. При этом, увеличение количества этого металла приводило к снижению эффективности прибора, поскольку нитевидные кристаллы создавали затенение активного слоя, изготовленного из нитрида галлия. Проблема повышения эффективности фотодетекторов была решена путем нанесения наночастиц золота, что позволило увеличить чувствительность УФ-фотодетекторов в 22 раза по сравнению с базовым значением.
«Нанонити серебра способны фокусировать электромагнитное излучение в области под ними, что позволяет более эффективно направлять его в кристалл нитрида галлия. Увеличение количества нанонитей на поверхности активной области фотодетектора не приводит к улучшению ситуации, поскольку при высоких концентрациях серебряных наноструктур расстояние между ними уменьшается настолько, что электромагнитная волна начинает преимущественно отражаться, подобно тому, как свет отражается от серебряного зеркала. Это было подтверждено как теоретическими расчетами, так и экспериментальными данными. Поэтому для достижения оптимальных результатов в подобных задачах необходимо оптимизировать поверхностную плотность серебряных нанонитей, чтобы максимизировать сигнал и избежать эффектов затенения активной области, — поделились О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — Для достижения максимальной фоточувствительности был подобран оптимальный параметр поверхностной плотности нанонитей. На полученные детекторы затем наносились золотые наночастицы сферической формы, имеющие средний диаметр 60 нм. В пределах изученного диапазона поверхностной плотности эффект затенения для этих наночастиц отсутствовал».
Следует подчеркнуть, что для реализации новой методики применяются общедоступные и экономичные технологии.
«Серебряные и золотые наноструктуры были получены с использованием методов коллоидной химии. Этот способ отличается низкой стоимостью, простотой реализации и возможностью масштабирования производства. Перенос серебра и золота осуществлялся путем капельного нанесения коллоидного раствора наночастиц на поверхность фотодетектора», — объяснили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов.
Ученые разрабатывают детали, открывающие новые возможности в области создания гибридных полупроводниково‑металлических структур представили в статье в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.
«Нитрид галлия широко применяется при производстве ультрафиолетовых фотодетекторов, однако воздействие интеграции этих устройств совместно с серебряными нанонитями и золотыми наночастицами ранее не изучалось. Наше исследование, опирающееся на использование контролируемых оптических свойств металлических наноструктур, продемонстрировало перспективность гибридных материалов для разработки высокочувствительных фотодетекторов с узкой полосой пропускания, — заключили О. Синицкая, Т. Шугабаев и А. Кузнецов. — В настоящее время разрабатывается методика, направленная на повышение точности контроля расположения наночастиц в рабочей области фотодетектора. Помимо этого, проводятся исследования, связанные с инкапсуляцией поверхности серебряных нанонитей тонкими оксидными пленками, что необходимо для поддержания стабильности характеристик фотодетектора в процессе эксплуатации. В дальнейшем планируется проведение испытаний полученного устройства в производственных условиях».
Новость создана при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации