Наноразмерный фотоприемник: прогрессивный подход к разработке

nanosized-photodetectorГруппа исследователей из Висконсинского университета в Мадисоне и университета в Буффало разработала наноразмерный фотоприемник. Новый метод разработки с использованием светопоглощающих структур позволил разработчикам преодолеть ряд препятствий и получить высокую производительность оптоэлектронных устройств без увеличения габаритных размеров устройства. На фото Зэн Янг Кси (Zhenyang Xia), выпускник кафедры проектирования электронных и компьютерных устройств UW-Madison, держит кювету, содержащую образцы фотоприемника. Цвет образцов варьируется в зависимости от настройки на поглощение определенной длины волны.

 

Уменьшение габаритных размеров устройств является одной из важных задач оптоэлектроники, особенно это касается таких устройств, как датчики, камеры и солнечные элементы, которые собирают свет и преобразуют его в электрическую энергию. Решение данной проблемы предопределяет появление новых возможностей в самых разных областях, например, уменьшение размера и веса блоков солнечных панелей, создание более качественных фотографий в условиях низкой освещенности, увеличение скорости передачи данных.

 

Разработчикам необходимо было решить две основные проблемы: во-первых, сокращение толщины традиционно используемых «аморфных» тонкопленочных материалов одновременно снижает качество преобразования, а во-вторых, когда ультратонкие материалы становятся слишком тонкими, они становятся почти прозрачными и фактически теряют способность собирать или поглощать свет. Преподавателям электротехники Чжэн Янг Ма (Zhenqiang (Jack) Ma), Зонфу Ю (Zongfu Yu) и Куай Янг Ган (Qiaoqiang Gan) удалось преодолеть оба препятствия, благодаря чему был создан наномасштабный фотоприемник. Новое устройство представлено, как однокристаллический германиевый нано-мембранный фотодетектор на подложке с нано-каверной. “Идея заключается в возможности замены толстого материала на очень тонкий при сохранении всех функций устройства”, - сказал Ма.

 

Устройство состоит из нано-каверн, размещенных между верхним слоем ультратонкого монокристаллического германия и отражающим слоем из серебра. “Применение нано-каверн заставляет фотоны «рециркулировать», по этой причине поглощение света существенно увеличивается даже в очень тонких слоях материала”, - прокомментировал Ма. Нано-каверны состоят из упорядоченной серии малоразмерных взаимосвязанных молекул, которые по существу отражают или заставляют циркулировать свет. Нано-размерные структуры увеличивают количество световой энергии, которое могут поглощать тонкие полупроводниковые материалы, например, германий. Однако большинство тонких пленок германия представляет собой германий в аморфной форме, то есть атомная структура материала не имеет регулярного повторяющегося порядка, свойственного кристаллу. Это также означает, что качества пленок германия недостаточно для малогабаритных приложений и их использования в области оптоэлектроники.

 

Именно здесь вступает в игру опыт Ма. Специалист в полупроводниковых нано-мембранных устройствах Ма использовал революционную технологию «мембранной передачи», которая позволяет ему легко интегрировать монокристаллические полупроводниковые структуры материала на подложку. В результате получается очень тонкий, но при этом очень эффективный светопоглощающий фотоприемник, который может быть использован как строительный блок для будущего приложения в оптоэлектронике.

 

“Это прогрессивная технология позволяет расширить линейку устройств для оптоэлектроники, которые могут иметь еще меньшие размеры”, - говорит Зонфу Ю, проводивший компьютерный анализ построения и функционирования детекторов. Исследователи уже продемонстрировали свой метод с использованием германиевого полупроводника, но в нем также могут быть использованы и другие полупроводниковые структуры. “И что особенно важно, что, настраивая нано-каверну, мы можем контролировать длину волны, которую мы фактически поглощаем. Это открывает путь для дальнейшей разработки множества различных оптоэлектронных устройств”, - говорит Ган.

 

По материалам https://www.sciencedaily.com