ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК H01L31/352 

Изобретение относится к фотоприемникам и/или фотопреобразователям для далёкой инфракрасной и субмиллиметровой областей спектра электромагнитного излучения (область длин волн 25–100 мкм), и может быть использовано для преобразования оптического сигнала в электрический, а также энергии электромагнитного излучения указанного диапазона в электрическую энергию.

Известны фотоприемники, основанные на собственном поглощении в узкозонном полупроводниковом твердом растворе свинец-олово-теллур, легированном индием (PbSnTe:In). Изменяя состав, можно получать предельно малую ширину запрещенной зоны, обеспечивая эффективное детектирование излучения далёкого ИК-диапазона на основе межзонных оптических переходов (патент РФ 2278446, опубликован 20.06.2006).

Известно также устройство (патент РФ №2517802, опубликован 27.05.2014), которое снабжено прозрачными контактами и контактами основы, между которыми расположен массив наногетероструктурных элементов, образованных донорными полупроводниковыми слоями, между которыми расположен поглощающий полупроводниковый слой. 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 ZnSe_(1-x) S_x. 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. 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. Ширина запрещенной зоны для соединений типа ZnS_xSe_(1-x) зависит от x.

Недостатком устройств является то, что гетеропереходы образуются в нанопорах матрицы.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является упрощение изготовления фотопреобразователя в виде массива наногетероструктурных элементов.

Технический результат достигается в устройстве, которое представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты так, что граница между контактом и нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

Потенциальный барьер для основных носителей заряда в нанопроводах возникает из-за того, что их поперечные размеры меньше длины размерного квантования при температуре функционирования устройства.

Разность

Δ = E₁ – E_F

энергии первого разрешенного уровня носителей заряда в нанопроводе E₁ и энергии Ферми носителей заряда в контакте E_F определяет минимальную частоту (ν_min) и максимальную длину волны (λ_max) поглощаемого электромагнитного излучения

ν_min = Δ/h, λ_max = c/ν_min,

где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме. При фиксированной температуре T и поперечных размерах нанопровода L_⊥, меньших, чем длина размерного квантования материала

L_dq(T) = (3h²8m*kT)^1/2,

из которого он сформирован, величины Δ и ν_min тем больше, чем меньше L_⊥. Здесь m* - эффективная масса носителей заряда в материале нанопровода, k – постоянная Больцмана.

Предпочтительно для изготовления нанопроводов использовать антимонид индия (InSb). Кроме того, могут быть использованы другие полупроводниковые, металлические и полуметаллические материалы, а также углеродные нанотрубки.

Предпочтительно формирование идентичных нанопроводов.

Предпочтительно в качестве диэлектрической матрицы использовать диэлектрик с регулярным расположением нанопор.

Предпочтительно в качестве диэлектрической матрицы использовать нанопористый анодный оксид алюминия.

Предпочтительно выполнение эмиттерного и коллекторного контакта из меди, золота или алюминия.

На фиг.1 показана матрица нанопроводов с контактами. 1 – коллекторный контакт, 2 – эмиттерный контакт, 3 – нанопровод.

На фиг.2 показано распределение поля в нанопроводе с контактами.

Электрическое поле в структуре распределено таким образом, что образующиеся при поглощении электромагнитного излучения избыточные электроны с энергиями, большими или равными E₁, будут выталкиваться полем из нанопровода в контакты. В результате, возникает индуцированная внешним электромагнитным излучением разность потенциалов между контактами

V_ind = Wh/(2рkT_phe)

где W – мощность внешнего электромагнитного излучения; T_ph – температура поглощаемых фотонов, в предположении, что они распределены в соответствии с формулой Бозе-Эйнштейна; e – заряд электрона. Это позволяет использовать матрицу нанопроводов в качестве фотоприемника.

Вольт-ваттная чувствительность фотоприемника дается формулой

S_v = h/(2рkT_phe).

Матрицы нанопроводов из антимонида имеют удельные сопротивления r порядка 50°мОм*см². То есть при T_ph = 300°K удельная ампер-ваттная чувствительность

S_J = S_v/r

будет порядка 10⁵°А/(Вт*см²).

Вольтамперная характеристика прибора в условиях воздействия внешнего электромагнитного излучения смещается в область, в которой произведение тока на напряжение отрицательно. Это свидетельствует о возможности выделения энергии на внешней нагрузке и использовании матрицы нанопроводов в качестве фотопреобразователя. При измеряемых экспериментально плотностях тока в матрицах нанопроводов из антимонида индия порядка 100 А/см² имеется возможность получения до 10°Вт/см² электрической энергии при соответствующей мощности внешнего излучения.

Таким образом, поскольку в порах не требуется создание гетеропереходов, а они формируются при нанесении контактов, достигается технический результат изобретения.

Использование: для преобразования оптического сигнала в электрический, а также энергии электромагнитного излучения указанного диапазона в электрическую энергию. Сущность изобретения заключается в том, что фотопреобразователь представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты так, что граница между контактом и нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда. Технический результат: обеспечение возможности упрощения изготовления в виде массива наногетероструктурных элементов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фотопреобразователь представляет собой массив полупроводниковых нанопроводов, сформированных в пористой матрице диэлектрика, на противоположных сторонах которой сформированы эмиттерный и коллекторный контакты, при этом граница между каждым из контактов и каждым нанопроводом представляет собой гетеропереход, в котором нанопровод является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

2. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены идентичными.

3. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены из антимонида индия (InSb).

4. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены полупроводниковыми и/или металлическими и/или полуметаллическими.

5. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что нанопровода выполнены в форме углеродных нанотрубок.

6. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической матрицы использован диэлектрик с регулярным расположением нанопор.

7. Фотопреобразователь по п.6, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика с регулярным расположением нанопор использован нанопористый анодный оксид алюминия.

8. Фотопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттерный и коллекторный контакты выполнены из меди, золота или алюминия.