ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

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.