ДЕТЕКТОР ОПТИЧЕСКОГО ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области создания детекторов оптического излучения.
Из уровня техники известен фотодетектор на основе углеродных нанотрубок. Недостатком решения является сложность изготовления детектора, требующего использования дополнительных адсорбирующих зарядотранспортных слоев на поверхности углеродных нанотрубок [1]. Фотодетекторы на основе одиночных нанотрубок изготавливают с помощью стандартного CMOS-процесса, который предполагает использование, как минимум, четырех электродов в процессе функционирования фотодетектора [2]. Процесс относительно хорошо изучен, но является сложным и требует использования высокоразрешающей литографии.
В качестве прототипа выбирается решение, в котором описан фотодетектор, включающий графеновый слой и расположенный на нем второй слой двумерного материала, образующие вместе гетеропереход и прикрепляющиеся к подложке с помощью двух электродов [3]. Двумерный материал полностью покрывает слой графена, обеспечивая фоточувствительность всей поверхности. Технический результат заключается в увеличении спектра чувствительности и повышении удельной обнаружительной способности устройства. Недостатком решения является использование совмещения двух двумерных материалов и создание между ними кристаллического гетероперехода, создание которого - сложный и не до конца исследованный процесс, так как механизмом формирования гетероперехода является Ван-дер-ваальсовое взаимодействие [4].
Задачей полезной модели является повышение удельной обнаружительной способности и минимизации площади фоточувствительной области при регистрации оптического излучения в видимой области спектра при комнатной температуре и атмосферном давлении, а также при механических воздействиях.
Для решения поставленной задачи предлагается детектор оптического излучения в видимом диапазоне, отличающийся тем, что углеродная нанотрубка содержит гетеропереход в области между контактами, и включающий подложку, углеродную нанотрубку, способную поглощать видимое излучение и электрические контакты. Детектор может быть выполнен таким образом, что для соединения электрических контактов и углеродной нанотрубки используются токопроводящие электроды, сформированные по масочной технологии. При этом нанотрубка может быть однослойной.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен детектор, и введены обозначения:
1 - диэлектрическая подложка,
2 - электрические выводы,
3 - углеродная нанотрубка,
4 - гетеропереход.
На фиг. 2 представлена зависимость изменения сопротивления фотодетектора на основе одиночной углеродной нанотрубки со сформированным в ней гетеропереходом при облучении одиночным лазерным импульсом в 280 фемтосекунд на длине волны 532 нм с энергией импульса 0,1 нДж. Длина волны регистрируемого излучения определяется высотой формируемого барьера в гетеропереходе.
Основой детектора является диэлектрическая подложка 1. На подложку перенесена тонкая пленка из неперколированных нанотрубок 2. К пленке с помощью фотолитографии подсоединены электрические выводы 2. В нанотрубке между электродами сформирован гетеропереход 4.
При попадании оптического излучения на нанотрубку 3 происходит поглощение излучения и изменение электрического сопротивления нанотрубки в связи с забросом носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости, которое затем регистрируется считывающим устройством - микросхемой.
Гетеропереход состоит из частично окисленной нанотрубки, сформированной с использованием сфокусированного сверхкороткого лазерного импульсного излучения, и немодифицированной нанотрубки. Высота барьера в гетеропереходе контролируется степенью окисления части углеродной нанотрубки. При этом окисленная часть нанотрубки может находиться или осуществлять контакт с одним из электродов. Немодифицированные нанотрубки состоят из атомов углерода и, содержат остатки металлического катализатора. Окисленная часть нанотрубки содержит соединения кислорода (-ОН, -СООН, С-О-С, -О, и т.п.), а также дефекты. Окисленная часть нанотрубки обладает увеличенной запрещенной зоной по сравнению с немодифицированной, что обеспечивает наличие локального гетероперехода.
Преимуществами заявляемого решения по отношению к прототипу являются малый вес (что важно с точки зрения миниатюризации электроники), простой технологический процесс, а также использование материалов на основе безопасного и способного к рециркуляции углерода. Субмикронный размер оптического детектора позволяет проводить его интеграцию в системы оптопар и в другие сенсорные и передающие устройства.
Пример конкретного выполнения.
В лабораторных условиях и условиях единичного производства технологический процесс изготовления предлагаемого фотодетектора может состоять из следующих операций:
Осаждение неперколированной пленки однослойных углеродных нанотрубок на диэлектрическую подложку.
Отжиг пленки нанотрубок при температуре 300°С в течение 20 минут для удаления остатков органики.
Проведение фотолитографии на подложке и формирование электродов.
Проведение локального окисления углеродной нанотрубки фемтосекундным лазером.
2
280 фемтосекундный импульс лазерного излучения, сфокусированного в пятно диаметром 2 мкм, обеспечивает создание гетероперехода в области 500 нм.
Технический результат - фотодетектор, созданный на основе одиночной однослойной углеродной нанотрубки, с повышенной удельной обнаружительной способностью при комнатной температуре и атмосферном давлении, имеющий минимальную площадь чувствительной области.
Источники информации:
1. Патент США №9147845.
2. Chang, S.W., Hazra, J., Amer, M., Kapadia, R., & Cronin, S. B. A Comparison of Photocurrent Mechanisms in Quasi-Metallic and Semiconducting Carbon Nanotube pn-Junctions. ACS nano, 2015, 9(12), 11551-11556.
3. Патент Китая №105789367 - прототип.
4. Pierucci, D., Henck, H., Avila, J., Balan, A., Naylor, С.H., Patriarche, G., … & Asensio, M.C. Band alignment and minigaps in monolayer MoS2-graphene van der Waals heterostructures. Nano Lett., 2016, 16 (7), 4054-4061.