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, Ruozheng Wang, Zhangcheng Liu, Jiao Fu, Dan Zhao, Fengnan Li, Juan Wang, Wei Wang, Kaiyue Wang, Hong-Xing Wang. Iridium size effects in localized surface plasmon-enhanced diamond UV photodetectors // Applied Surface Science, 2019, 487, 674-677], содержащий подложку из широкозонного полупроводника (алмаз), покрытую эпитаксиальным слоем широкозонного полупроводника (алмаз), на котором расположены металлические электроды, между которыми сформированы наночастицы иридия.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение ультрафиолетовой части 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, использование для 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 иридия, что приводит к повышению стоимости изделия.
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 расположены металлические электроды, между которыми сформированы наночастицы палладия.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение ультрафиолетовой части 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.
2
2
2
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту 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 MoS with sensitivity enhanced by localized surface plasmon resonance // Applied Surface Science, 2019, 483, 1037-1043], содержащий полупроводниковую подложку Si, покрытую слоем SiO, на котором расположены металлические электроды, между которыми расположен слой MoS, декорированный наночастицами золота.
Данный фотодетектор позволяет поглощать излучение инфракрасной части спектра.
Признаками прототипа, 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.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности фото детектора, за счет усиления поглощения оптического излучения. Это достигается за счет декорирования поверхности полупроводникового фоточувствительного слоя металлическими наночастицами Ga, которое при взаимодействии с падающим электромагнитным излучением приводит к возникновению поверхностного плазмонного резонанса, усиливающего поглощение оптического излучения.
Технический результат достигается тем что, в известном устройстве фотодетектора полупроводниковый фоточувствительный слой состоит из широкозонного полупроводника GaAs, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga, определенного диаметра и плотности, совокупность характеристик которых обеспечивает необходимую резонансную частоту поглощения оптического излучения.
Для достижения необходимого технического результата в фотодетекторе, состоящим из полупроводниковой подложки Si, покрытой слоем SiO2, на котором расположены металлические электроды, между которыми расположен слой MoS2, декорированный наночастицами золота, подложка выполнена из GaAs, полупроводниковый фоточувствительный слой состоит из широкозонного слоя GaAs, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga, определенных диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода.
На Фиг. 1. приведено изображение фото детектора ближнего инфракрасного диапазона.
Фотодетектор (Фиг. 1) включает в себя полупроводниковую подложку выполненную из GaAs 1, полупроводниковый фоточувствительный слой, состоящий из широкозонного слоя GaAs 2, содержащий квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs 3, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga 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 GaAs, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga, 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.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет фотодетектор, ближнего инфракрасного диапазона. Использование полупроводникового фоточувствительного слоя, состоящего из широкозонного слоя GaAs 2, содержащего квантовую яму из узкозонного полупроводника InGaAs 3, поверхность которого декорирована массивом неупорядоченных металлических наночастиц, выполненных из Ga 4, определенного диаметра и плотности, к которому сформированы два металлических электрода 5, позволяет повысить общую эффективность детектирования электромагнитного излучения ближнего инфракрасного диапазона за счет усиления поглощения оптического излучения путем изменения резонансной частоты поглощения за счет изменения размера металлических наночастиц, исключения дефектообразования и увеличения срока службы устройств за счет использования родственных металлов в качестве материала наночастиц, снизить стоимость конечного изделия за счет отсутствия использования драгоценных металлов.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый фотодетектор ближнего инфракрасного излучения позволяет повысить общую эффективность устройства, повысить чувствительность, изменять резонансную частоту поглощения, исключить дефектообразование и увеличить срок службы устройств, снизить стоимость конечного изделия.