Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления фоточувствительных структур на основе двумерных наночастиц теллурида висмута

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания резистивных одноэлементных фотоприемников различного назначения.

Целью данного изобретения является разработка способа создания фоторезистора, который имеет фотоотклик в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, работающий при комнатной температуре без систем охлаждения фоточувствительной области.

Изобретение позволяет обеспечить формирование фоторезистивной структуры на подложке из оксидированного кремния с нанесенными на нее встречно штыревыми проводящими золотыми контактами путем нанесения двумерных наночастиц теллурида висмута, полученных жидкофазной эксфолиацией фиг. 1. Фоторезистивная структура не требует охлаждения для обеспечения фотоотклика в области ближнего и среднего инфракрасного излучения.

Известен способ изготовления фоточувствительной структуры на основе двумерного теллурида висмута при помощи метода химического осаждения из газовой фазы [Liu, J.L., et al. "High performance visible photodetectors based on thin two-dimensional Bi2Te3 nanoplates." Journal of Alloys and Compounds 798 (2019): 656-664.]. Данный способ обеспечивает создание фотодиода с высокими показателями фотоотклика на источник излучения длинной волны 640 нм дающий плотность излучения в 106 мВ/см². Высокий фотоотклик обеспечивается за счет выращивания одиночного нанолиста теллурида висмута на подложке и дальнейшего осаждения на него металлических контактов, что дает высокую однородность поверхности, а также высокую подвижность носителей зарядов. Однако формирование одиночного нанолиста толщиной 20 нм методом химического осаждения из газовой фазы не позволяет получить фоточувствительные слои, имеющие широкий спектральный диапазон, в связи с дискретностью энергетических уровней нанолиста с равномерными толщинами.

Известен способ изготовления фоточувствительной структуры с варьируемой шириной запрещенной зоны на основе комбинаций различных двумерных материалов [US 10096735 В2]. Недостатком данного способа изготовления является невозможность получения широкой спектральной характеристики фоточувствительных слоев.

Задачей изобретения является создание фоточувствительной резистивной структуры, имеющей фотоотклик в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, не требующей систем охлаждения, что необходимо для работы фоточувствительного элемента при температуре окружающей среды в диапазоне от -30 до +30°С.

Задача решается за счет того, что фоточувствительная структура на основе двумерных наночастиц Bi₂Te₃ с латеральными размерами от 50 нм до 450 нм, наносится методом «spin-coating», на подложку из оксидированного кремния со встречно-штыревыми контактами. Полученная в результате этого фоточувствительная структура имеет толщину 2800±10 нм и проводимость 0,38 См.

Сущность изобретения поясним на примере изготовления фоточувствительной структуры на основе двумерного теллурида висмута. Для получения фоточувствительной структуры используется навеска крупнокристаллического теллурида висмута с размером частиц не более 160 мкм. Навеска подвергается термической обработке в сушильной камере при температуре 60°С в течении 4 часов.

Для эксфолиации используется стандартная ультразвуковая ванна (640 Вт), время процесса составило 8 часов при температуре 30°С. Затем проводят центрифугирование, для удаления реагрегировавших наночастиц, в течении 10 мин и скорости 1500 об/мин. Полученную суспензию наносят методом «Spin-coating» на кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния с нанесенными встречно-штыревыми контактами из термически распыленного золота в режиме: скорость вращения подложки 3000 об/мин в течении 1 минуты

Процесс нанесения повторяется 180 циклов для получения равномерного массива двумерных нанолистов теллурида висмута толщиной 2800±10 нм и проводимостью 0.38 См. В дальнейшем полученные элементы высушиваются при температуре 60°С в течении четырех часов.

Объемный слой двумерных наночастиц, обладает высокой сплошностью которая показана на снимке сканирующего электронного микроскопа фиг. 2.

Толщина фоточувствительного слоя измеряется на атомно-силовом микроскопе и показана на фиг. 3.

Техническим результатом данного способа изготовления фоточувствительных элементов на основе двумерного теллурида висмута является то, что нанесенный методом «Spin-coating» массив двумерных наночастиц теллурида висмута обладает достаточной толщиной для поглощения излучения с длинами волн до 6 мкм, при этом обладая возможностью изменения диапазона поглощения за счет изменения среднего размера двумерных наночастиц теллурида висмута, фиг. 4.

Показано, что сформированные фоточувствительные элементы обладают существенным фотооткликом в широком спектральном диапазоне от ближнего до среднего инфракрасного диапазона фиг. 5.