ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам и может быть использовано при изготовлении детекторов электромагнитного излучения, преимущественно оптического, с наноструктрированным поглощающим (фоточувствительным) слоем.
Одномерные позиционно-чувствительные датчики обычно имеют активную поверхность в форме узкой полоски и позволяют определить положение светового пятна, перемещающегося вдоль полоски фоточувствительной поверхности. Фототок, генерируемый в месте падения светового пятна, разделяется на две токовые компоненты. Их распределение позволяет определить местоположение светового пятна на полоске датчика [А. Самарин. Позиционно-чувствительные фотодатчики. //Электронные компоненты. 2003, №7, с.103-108.]. Основной недостаток таких устройств состоит в том, что весь световой поток дает вклад в датчике. Следовательно, любой свет, который попадает в плоскость детектора (в том числе и солнечный фоновый свет), будет вносить ошибку в измерения.
(1-x)
x
В настоящем изобретении предлагается в качестве детектора оптического излучения использовать массив полупроводниковых пространсвенно-упорядоченных кристаллических наногетероструктур Ge/тонкий слой ZnSeS/Ge в порах анодного оксида алюминия. Преимуществом использования матриц анодного оксида алюминия в качестве темплатов является возможность точно контролировать пространственное расположение и размеры наноструктур, которые задаются пространственным расположеним, диамером пор, а также толщиной пленки пористого оксида.
Известны массивы пространственно-упорядоченных наночастиц полупроводников (по патенту RU2460166), которые получают осаждением нескольких слоев на пористой матрице. На сформированной полупроводниковой наногетероструктуре, с двух сторон, наносят проводящую основу в виде пленки. Таким образом, формируются наногетероструктуры, которые могут использоваться для изготовления фотодетекторов со сверхвысоким (порядка 100 нм) пространственным разрешением.
Детектор по заявке WO2010135439 включает нановолоски, сформированные в матрице оксида алюминия. После удаления матрицы нановолоски соединятся с электродами (с шагом 5-30 мкм). Изменение напряжения на нановолосках при поглощении света усиливается. Массив таких устройств может быть использован для измерения света на плоскости. В предложенном нами детекторе матрица пористого оксида алюминия выполняет роль носителя наноструктур.
Использование известных прецизионных фотодетекторов связано со следующими проблемами. Например, мощность, доступная для этих устройств, зависит от размера области обнаружения таким образом, что масштабирование устройства до меньшего размера приводит к снижению выходной мощности. Обнаружение светового пятна малого размера затруднено при использовании фотодетекторов большого размера. Ток, генерируемый в таком случае, сложно измерить, выделить помехи. Детектор по заявке US20110139964 (выбран в качестве прототипа) для повышения точности позиционирования пучка света использует структуру, образованную на изолирующей подложке из кремния и диоксида кремния. Поглощающие оптические сигналы зоны формируются из кремния и соединены с отдельными электрическими контактами.
Его недостатком является то, что, вследствие фиксированного состава промежуточного слоя поглощающего слоя, сужается диапазон рабочих длин волн. Это значит, что детектор с определенным составом промежуточного слоя будет наиболее эффективно работать только при какой-либо одной длине волны падающего света.
Технической задачей изобретения является повышение точности позиционирования устройств, в которых реализуются сверхмалые перемещения: сканирующих атомно-силовых и туннельных микроскопов, микро- и наноэдьюкаторы и другие. Кроме того, достигается высокая точность фиксации перемещения.
Технический результат достигается в детекторе излучения, снабженном прозрачными контактами и контактами основы, между которыми расположен массив наногетероструктурных элементов, образованных донорными полупроводниковыми слоями, между которыми расположен поглощающий полупроводниковый слой.
(1-x)
x
Массив наногетероструктурных элементов образован в порах матрицы оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 150 нм. Донорные полупроводниковые слои и поглощающий полупроводниковый слой образуют структуру узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник. Донорные полупроводниковые слои выполнены из Ge, поглощающий полупроводниковый слой выполнен из ZnSeS. В качестве контактов основы используется никель, или серебро, или оксид индия-олова, в качестве прозрачных контактов используется пленка оксидов индия-олова. В качестве основы используют подложку из Si. Расстояние между контактами основы составляет от 1 до 10 мкм.
Основным элементом гетероструктур различного типа является гетеропереход (контакт двух различных по химическому составу полупроводников, при котором кристаллическая решетка одного материала без нарушения периодичности переходит в решетку другого материала). До «приведения в контакт» двух полупроводников потенциальная энергия электронов в них разная из-за разной термодинамической работы выхода. При «соприкосновении» двух полупроводников, как и в случае обычного p-n-перехода, электроны начнут «переходить» из полупроводника с меньшей работой выхода в полупроводник с большей. Это будет происходить до тех пор, пока диффузионный ток не будет скомпенсирован дрейфовым током носителей заряда под воздействием поля, созданным избыточными носителями. Из-за различия электронного сродства в контактирующих полупроводниках формируется разрыв зоны проводимости и разрыв валентной зоны.
В гетероструктрах существует возможность формировать дно зоны проводимости Ec и потолок валентной зоны Ev независимо, так как общую разность Eg=Ec-Ev можно варьировать. В случае гетероструктуры типа узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник энергетическая диаграмма зон будет выглядеть, как изображено на фиг.4. Если в эту диаграмму добавить поглощение слоем с большей шириной запрещенной зоны фотонов с определенной длиной волны, то количество носителей заряда на границе раздела узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник увеличится, при этом количество дополнительно инжектированных носителей будет пропорционально интенсивности светового излучения. Эти процессы можно легко зарегистрировать и использовать для детектирования светового излучения.
x
(1-x)
x1
(1-x1)
x2
(1-x2)
Ширина запрещенной зоны для соединений типа ZnSSe зависит от x [A. Ben Fredj, M. Debbichi, M. Said. Influence of the composition fluctuation and the disorder on the bowing band gap in semiconductor materials //Microelectronics Journal, 38 (2007), 860-870]. Следовательно, можно получать наногетероструктуры типа Ge/тонкий слой ZnSSe/Ge/тонкий слой ZnSSe с различным значением x, и, как следствие, регулируемой зонной структурой. Поскольку параметры оптического поглощения зависят от ширины запрещенной зоны, то слой с одной шириной запрещенной зоны может пропускать излучение с какой-либо длиной волны, при этом оно может быть поглощено на слое с шириной запрещенной зоны, соответствующей данной длине волны падающего излучения. Это открывает возможность использования таких гетероструктур в качестве чувствительных элементов для устройств фоторегистрации объектов.
При увеличении количества слоев в гетероструктуре, а тем более если последующие слои широкозонного полупроводника будут отличаться по величине Eg, то каждый из таких слоев будет отвечать за поглощение квантов света с определенной длиной волны. И в случае разнесения отдельных поглощающих элементов в пространстве можно создавать детекторы излучения с пространственным разрешением и селекцией по длинам волн регистрируемого излучения.
В настоящем изобретении предлагается использовать наногетероструктуры - гетероструктуры с характерными размерами элементов от 40 до 150 нм, которые внедрены в матрицу пористого оксида алюминия, выступающего в роли их носителя. Их можно изготовить несколькими способами, но наиболее эффективными из них являются такие недорогие и эффективные, как термическое напыление в условиях сверхвысокого вакуума и электрохимическое осаждение.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 - схема детектора;
фиг. 2 - пористая матрица с наногетероструктурами;
фиг. 3 - СЭМ-изображение скола образца наногетероструктуры в матрице оксида алюминия с диаметром пор 100 нм;
фиг. 4 - схема многослойной структуры типа узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.
Детектор излучения снабжен прозрачными контактами 1 (электрод смещения) и контактами основы 2, между которыми расположен массив наногетероструктурных элементов, образованных донорными полупроводниковыми слоями 3, между которыми расположен поглощающий полупроводниковый слой 4.
Массив наногетероструктурных элементов образован в порах матрицы 5 оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 150 нм (фиг. 2).
Донорные полупроводниковые слои 3 и поглощающий полупроводниковый слой 4 образуют структуру узкозонный полупроводник/широкозонный полупроводник/узкозонный полупроводник.
(1-x)
x
Донорные полупроводниковые слои 3 выполнены из Ge, поглощающий полупроводниковый слой 4 выполнен из ZnSeS. В качестве контактов основы 2 используется никель, или серебро, или оксид индия-олова.
В качестве прозрачных контактов 1 используется пленка оксидов индия-олова. Прозрачный проводящий слой (состава 10%SnO2:90%In2O3), находящийся на верхней поверхности детектора, имеет очень хорошую стойкость к механическим и окислительным воздействиям, что позволяет защитить устройство от атмосферных воздействий.
В качестве основы 6 используют подложку из Si или Ge.
Расстояние между контактами основы 2 составляет от 1 до 10 мкм. Использование набора электродов (контактов основы) с указанным расстоянием позволяет повысить точность детектирования.
Детектор изготавливают следующим образом.
(1-x)
x
-7
Полупроводниковые наногетероструктуры Ge/тонкий слой ZnSeS/Ge (донорный слой/поглощающий слой/донорный слой) c составом по x от 0 до 1 с шагом Δx=0,1 могут быть получены методами термического напыления в условиях сверхвысокого (не более 10 Па) вакуума и электрохимического синтеза, а также их комбинацией. Геометрическая анизотропия наногетероструктур, их химический состав, стехиометрия тройного соединения и структурное состояние контролируются как условиями напыления (расстояние от испарителя до темплата может варьироваться от 10 до 20 см, температура темплата может контролируемо меняться от - 150 до 150°С) и условиями электрохимического синтеза (концентрации исходных растворов, выбор электрохимического потенциала).
Существенным отличием этих методов является то, что при термическом напылении рост пленки происходит путем запыления поры. То есть к окончанию процесса напыления поры оказываются закупорены с напыленной стороны. Поэтому на втором этапе (нанесения ZnSSe) пленки переворачивались и напыление проводилось на другую сторону пленки. Поскольку на первом этапе германий заполнял поры почти на 2/3 глубины поры (около 5 мкм), то толщина слоя сульфоселенида цинка составляла 150±15 нм. В связи с этим, рост этих слоев происходил на поверхности наноструктуры германия. Затем образцы перегружались в камеру напыления германия и полностью запылялись.
При электрохимическом осаждении рост происходит от нижней границы поры, со стороны, на которой напылен контакт основы 2. Но в данном случае необходимо подобрать такие режимы осаждения (прежде всего, потенциал осаждения), чтобы обеспечить протекание тока через электролит. Одним из достоинств метода является то, что рост можно производить в условиях с контролируемой атмосферой, без выноса на воздух на промежуточных этапах.
Полученные наногетероструктуры исследовались методом сканирующей электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе. На фиг. 3 представлено изображение скола образца наногетероструктур, полученных электрохимическим осаждением в матрицу 5 оксида алюминия с диаметром пор 100 нм. Наногетероструктуры представляют собой заполненные поры.
Использование гетероструктуры Ge/ZnSSe/Ge с толщиной промежуточного слоя ZnSSe 0,5-5% от толщины всей гетероструктуры, позволяет создавать дополнительные носители заряда благодаря процессам на границах разделов полупроводников (как описано выше).
5
95
2
3
Проводящие прозрачные контакты 1 верхнего слоя изготавливаются методом магнетронного распыления мишени сплава InSn в атмосфере кислорода. Состав слоя - SnO∙InO. Контакты основы 2 на нижнем слое также получают методом магнетронного распыления мишени (например, Ni).
Детектор работает следующим образом
(1-x)
x
Падающий пучок света проходит через прозрачный контакт 1, на который подается напряжение смещения. Фотоны, проходят через наногетероструктуру Ge/тонкий слой ZnSeS/Ge (детектирующая структура). Далее, фототок, генерируемый в месте падения светового пятна, разделяется на две токовые компоненты, распределение которых позволяет определить местоположение светового пятна между двумя ближайшими контактами основы 2. Использование набора контактов основы 2 позволяет существенно повысить точность определения положения светового пучка.