Исследование физических принципов работы гетероструктур кремний / коллоидные квантовые точки Si/CQDs для создания на их основе не охлаждаемых, быстрых и чувствительных ИК детекторов (Этап 2)

В течение десятилетий кремний Si был и остается основным технологическим полупроводниковым материалом в современной микроэлектронной промышленности, его влияние на жизни современного общества сложно переоценить. Применение оптоэлектронных устройств на основе чистого Si ограничено видимым и ближним инфракрасным диапазоном. Для фотонов с энергией менее 1,12 эВ чистый кремний практически прозрачен. Расширение поглощения Si в сторону дальнего инфракрасного диапазона представляет значительный интерес для современных оптоэлектронных приложений в области передовых цифровых, интеллектуальных производственных технологий, роботизированных системам, создания систем обработки больших объемов данных. Давно известно, что искусственно создавая в Si примесные состояния в запрещенной зоне, возможно создавать и регулировать процесс подзонного поглощение фотонов. Современные подходы предполагают расширение спектрального отклика Si с помощью либо высокотемпературного легирования атомами халькогенов S, Se, Te, либо некоторыми металлами Au, Ag, Ti и др.. Однако эти методы практически не применимы в сложившейся технологии изготовления кремниевых микросхем из-за необходимости нагрева кремния до предельновысоких температур в процессе ионного имплантирования. Основываясь на идее создания в Si примесных состояний, в проекте мы успешно разработали новую эффективную технологию расширения фотоотклика Si в инфракрасном диапазоне совместимую с современной мегапиксельной технологией Si CMOS. Наша идея была основана на использовании коллоидных квантовых точек Ag2S и PbS, нанесенных на поверхность Si, для создания гетероструктур с контролируемыми примесными состояний в запрещенной зоне Si. В проекте экспериментально исследованы и проанализированы физические принципы определяющие величину фотовольтаического эффекта в Si/Ag2S и Si/PbS гетероструктурах возникающего под воздействием излучения коротковолновой части ИК спектра. Теоретическая оценка на основе модели примесных состояний в запрещенной зоне Si дает значения удельной чувствительность детектора на основе гетероструктур Si/CQDs с нулевым смещением при комнатной температуре до 10^10-10^12 cm√Hz/W на длине волны излучения 1,55 мкм. Экспериментальные результаты отлично согласуются с теоретическим рассчетом. В результате выполнения проекта созданы наборы уникальных образцов гетероструктур Si/Ag2S и Si/PbS позволяющие получить систематически повторяемые экспериментальные данные о электрических свойствах на постоянном токе и спектральном отклике в диапазоне 1 - 3 мкм. Получены и проанализированы результаты экспериментальных исследований электрических и спектральных свойств гетероструктур Si/Ag2S и Si/PbS как функции размера CQDs дающие понимание физических механизмов фотовольтаического эффекта при облучении структур ИК излучением в диапазоне 1-3 мкм. Экспериментально подтверждена гипотеза и определена граница, в единицах длины волны излучения, между двумя предполагаемыми механизмами работы - непосредственного поглощения излучения квантовой точкой с дальнейшим рождением свободных носителей, и возникновением дополнительных вакансий в запрещенной зоне кремния за счет создаваемых CQDs дополнительных поверхностных состояний на поверхности кремния. Получены и проанализированы экспериментальные данные о процессе деградации свойств гетероструктур Si/Ag2S и Si/PbS во времени. Показана острая необходимость защиты поверхности кремния покрытого Ag2S и PbS квантовыми точками от влияния атмосферы. Кроме того, получены экспериментальные данные о размерах CQDs и их поверхностной плотности в гетероструктурах Si/Ag2S и Si/PbS необходимых для получения высоких значений V/W и I/W чувствительности, динамического диапазона и быстродействия при приемлемых значениях уровня шумов для получения чувствительности детектора не хуже 10^10 cm√Hz/W. Прикладным результатом проекта является создание лабораторных образцов квазиоптических детекторов на основе Si/Ag2S и Si/PbS гетероструктур с набором длин и ширин приемных площадок детектора и экспериментальное исследование их основных характеристик - V/W и I/W чувствительность, динамический диапазон, быстродействие и уровень выходных шумов. Экспериментально полученные данных подтвердили теоретические оценки возможности создания не охлаждаемого детектора с чувствительностью 10^10 - 10^12 cm√Hz/W в диапазоне длин волн 1-3 мкм. Учитывая разнообразие и современный уровень технологии изготовления коллоидных квантовых точек Ag2S и PbS и относительную простоту создания гетероструктур Si/CQDs, результаты наших исследований позволяют начать разработку нового поколения не охлаждаемых ИК Si/CQDs-детекторов и Si/CQDs CMOS матриц детекторов для применений в передовых оптоэлектронных и цифровых системах, интеллектуальных производственных технологиях, роботизированных системах и при создании систем обработки больших объемов данных.