ФОТОДЕТЕКТОР БЛИЖНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА

Предполагаемая полезная модель относится к области оптоэлектроники, конкретно - к устройствам со стимулированным излучением.
Известен аналог заявляемого объекта фотодетектор ультрафиолетового излучения [Xiaohui Chang, Yan-Feng Wang, Xiaofan Zhang, Zhangcheng Liu, Jiao Fu, Dan Zhao, Shuwei Fan, Renan Bu, Jingwen Zhang, Wei Wang, Hong-Xing Wang. Enhanced ultraviolet absorption in diamond surface via localized surface plasmon resonance in palladium nanoparticles // Applied Surface Science, 2019, 464, 455-457], содержащий подложку широкозонного полупроводника (алмаз), покрытую эпитаксиальным слоем широкозонного полупроводника (алмаз), на котором распложены металлические электроды, между которыми сформированы наночастицы палладия.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение ультрафиолетовой части электромагнитного спектра.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, полупроводниковый фоточувствительный слой, декорированный металлическими наночастицами, электроды, сформированные к полупроводниковому фоточувствительному эпитаксиальному слою.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование гетерогенного материала металлических наночастиц, что может приводить к нежелательному дефектообразованию и снижению общей эффективности фотодетектора, использование для полупроводникового фоточувствительного слоя широкозонного полупроводникового материала, что затрудняет создание качественных омических контактов к нему и не обеспечивает необходимый спектральный диапазон чувствительности в силу зонной энергетической структуры материала; использования в качестве металлических наночастиц частиц палладия, что приводит к повышению стоимости изделия.
Известен аналог заявляемого объекта является фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона [Junxiong Guo, Shangdong Li, Zhenbei He, Yiyi Li, Zhicheng Lei, Yu Liu, Wen Huang, Tianxun Gong, Qinqin Ai, Linna Mao, Yiwen He, Yizhen Ke, Shifeng Zhou, Bin Yu. Near-infrared photodetector based on few-layer MoS2 with sensitivity enhanced by localized surface plasmon resonance // Applied Surface Science, 2019, 483, 1037-1043], содержащий полупроводниковую подложку Si, покрытую слоем SiO2, на котором расположены металлические электроды, между которыми расположен слой MoS2, декорированный наночастицами золота.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение инфракрасной части электромагнитного спектра.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, полупроводниковый фоточувствительный слой, декорированный металлическими наночастицами, электроды, сформированные к полупроводниковому фоточувствительному слою.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование гетерогенного материала металлических наночастиц, что может приводить к нежелательному дефектообразованию и снижению общей эффективности фотодетектора, низкая толщина фоточувствительного слоя, затрудняющая создание качественных омических контактов к нему и снижающую его устойчивость к внешним воздействиям; использования в качестве металлических наночастиц частиц золота, что приводит к повышению стоимости изделия.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона на основе поверхностного плазмонного резонанса [RU Патент №195508 от 30 января 2020 года], содержащий полупроводниковую подложку, выполненную из GaAs, полупроводниковый фоточувствительный слой, состоящий из широкозонного слоя GaAs, содержащий квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga, определенного диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение инфракрасной части электромагнитного спектра.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, выполненная из GaAs, полупроводниковый фоточувствительный слой, содержащий квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом металлических наночастиц, металлические электроды, сформированные к полупроводниковому фоточувствительному слою.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: использование в структуре фоточувствительного слоя в качестве широкозонного материала слоя GaAs, что снижает диапазон рабочих температур, температурную стабильность, величину рабочих токов, а также увеличивает токи утечки; использование массива неупорядоченных металлических наночастиц Ga, что ограничивает рабочий диапазон температур комнатными значениями, снижает стабильность характеристик, увеличивает площадь чувствительного элемента за счет ее неэффективного использования, приводя к общему снижению энергоэффективности и увеличению размеров детектора.
Технический результат полезной модели - снижение размеров и, как следствие, стоимости отдельного элемента. Это достигается за счет декорирования поверхности полупроводникового фоточувствительного слоя массивом упорядоченных металлических наночастиц In, что приводит к уменьшению размеров чувствительного элемента и, как следствие, его стоимости за счет охвата всей площади элемента эффектом плазмонного резонанса, что достигается регулированием размеров, формы металлических наночастиц In и шагом между ними в массиве; к расширению рабочего диапазона температур и увеличению стабильности спектральных характеристик устройства за счет значительно большей температуры плавления In (156,5°C) в сравнении с Ga (29,8°C) и, как следствие, сохранении размера и формы металлических наночастиц, от чего зависит резонансная частота поглощения оптического излучения структуры, а также за счет использования в составе фоточувствительного слоя слоев широкозонного полупроводника AlGaAs, что приводит к улучшению локализации носителей заряда и снижению токов утечки за счет увеличения глубины квантовой ямы из узкозонного полупроводника InGaAs.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве фотодетектора полупроводниковый фоточувствительный слой состоит из широкозонного слоя AlGaAs, а массив металлических наночастиц определенного диаметра и плотности выполнен из In и равномерно, с одинаковым шагом, упорядочен в плоскости подложки, совокупность характеристик которых обеспечивает необходимую резонансную частоту поглощения оптического излучения.
Для достижения необходимого технического результата в фотодетекторе, состоящем из полупроводниковой подложки GaAs, полупроводниковый фоточувствительный слой, состоящий из широкозонного слоя GaAs, содержащий квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga, к которому сформированы два металлических электрода, подложка выполнена из GaAs, полупроводниковый фоточувствительный слой состоит из широкозонного слоя AlGaAs, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом упорядоченных металлических наночастиц, выполненных из In, определенных диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода.
На фиг. 1, 2 приведено изображение фото детектора ближнего инфракрасного диапазона.
Фотодетектор (фиг. 1, 2) включает в себя полупроводниковую подложку, выполненную из GaAs 1, полупроводниковый фоточувствительный слой, состоящий из слоя широкозонного полупроводника AlGaAs 2, содержащий квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs 3, поверхность которого декорирована массивом упорядоченных металлических наночастиц, выполненных из In 4, определенного диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода 5.
Работает фотодетектор ближнего инфракрасного диапазона следующим образом.
При падении электромагнитной волны на полупроводниковый фоточувствительный слой, состоящий из широкозонного слоя AlGaAs, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом упорядоченных металлических наночастиц, выполненных из In, определенного диаметра и плотности, в приповерхностном слое возникает эффект локализованного плазмонного резонанса при взаимодействии электромагнитного излучения с металлическими частицами определенного размера, который вместе с эффектом усиления рассеяния падающего излучения, приводящего к его вводу в квантовую яму под углами, отличными от нормали, приводит к усилению поглощения падающего излучения в квантовой яме полупроводникового фоточувствительного слоя. При этом интенсивность процессов генерации электронно-дырочных пар возрастает как за счет увеличения внутренней квантовой эффективности, так и за счет возникновения локальных сильных электромагнитных полей вследствие эффекта локализованного поверхностного плазмонного резонанса. При приложении к электродам внешнего продольного электрического поля, генерируемые электронно-дырочные пары разделяются соответственно знаку носителей и формируют ток в электрической цепи. При этом спектральная чувствительность такой структуры задается диаметром используемых металлических наночастиц, что позволяет изменять резонансную частоту поглощения путем изменения диаметра наночастиц. Интенсивность фотопоглощения на заданной частоте определяется плотностью массива металлических наночастиц, глубиной залегания квантовой ямы и зонной энергетической диаграммой всей структуры. Использование упорядоченных в плоскости подложки массивов металлических наночастиц позволяет обеспечить охват плазмонным эффектом всей площади чувствительного элемента, что позволяет сократить площадь чувствительного элемента и, как следствие, его стоимость, а также повысить энергоэффективность устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет фотодетектор, ближнего инфракрасного диапазона. Использование полупроводникового фоточувствительного слоя, состоящего из широкозонного слоя AlGaAs 2, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs 3, поверхность которого декорирована массивом упорядоченных металлических наночастиц, выполненных из In 4, определенного диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода 5, позволяет повысить общую эффективность детектирования электромагнитного излучения ближнего инфракрасного диапазона путем увеличения глубины потенциальной ямы за счет увеличения высоты потенциальных барьеров, которая происходит за счет использования материала с большей шириной запрещенной зоны, а также замена материала капли приводит к расширению рабочего диапазона температур и увеличению стабильности спектральных характеристик устройства за счет значительно большей температуры плавления In и, как следствие, сохранении размера и формы металлических наночастиц, а уменьшение размеров чувствительного элемента ведет к уменьшению его стоимости за счет охвата всей площади элемента эффектом плазмонного резонанса, что достигается регулированием размеров, формы металлических наночастиц In и шагом между ними в массиве.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый фотодетектор ближнего инфракрасного излучения позволяет повысить общую эффективность устройства, снизить его стоимость и размеры, повысить стабильность детектирования на резонансной частоте, расширить температурный диапазон и снизить токи утечки.