Способ изготовления фотодетектора с ограниченным диапазоном спектральной чувствительности на основе массива наностержней оксида цинка

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам, в частности к нанотехнологиям солнечно-слепых фотодетекторов ближнего ультрафиолетового излучения (БУФИ) на основе 1D наноструктурированного оксида цинка. Изобретение обеспечивает повышение спектральной чувствительности солнечно-слепого фотодетектора к БУФИ и снижение его времени отсечки τотс при смещающем напряжении U≤1 В, упрощение технологии изготовления такого фотодетектора, снижение ее энергозатратности и повышение уровня экологичности, исключение необходимости использования платины, золота, палладия, индия, графена в элементах конструкции указанного прибора. Данная задача решается за счет катодного импульсного электрохимического осаждения из водного нитратного электролита при 55-65°С в течение 60 минут на высокопроводящую прозрачную для БУФИ неподвижную подложку массива срастающихся у оснований наностержней ZnO со средней длиной 0.65 мкм и средним диаметром несросшихся участков вблизи верхних концов 0.30 мкм, последующей термовакуумной металлизации под углом к вертикали тонкопленочным алюминием через теневую алюминиевую маску верхних концов наностержней ZnO и высокопроводящей поверхности подложки за пределами их массива, формирования высокопроводящих эпоксидных контактных слоев поверх металлизированных областей, приклейки эпоксидным высокопроводящим клеем гибких медных проволочных выводов к контактным слоям и отжига этой конструкции на воздухе при 250°С длительностью 300 с. Данный способ изготовления фотодетектора прост в реализации и позволяет получить фотодетектор со спектральной чувствительностью около 532 при U=1 В в диапазоне длин волн 365-370 нм и с временем отсечки 42 секунды, а также практически полным отсутствием фоточувствительности при λ>380 нм. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам, в частности к нанотехнологиям солнечно-слепых фотодетекторов ближнего ультрафиолетового излучения (БУФИ) на основе 1D наноструктурированного оксида цинка, не содержащего малодоступных либо дорогих материалов.

Известен способ получения вертикально-ориентированных массивов наностержней оксида цинка методом магнетронного распыления (Пат. CN 100517771 (С) КНР, МПК H01L 31/18. Заявлено 20.11.2007; опубл. 22.07.2009) с последующим нанесением слоев алюминия для использования в качестве датчиков ультрафиолета (УФ). Данный способ получения датчиков УФ включает в себя следующие этапы: промывку и сушку субстрата; помещение субстрата (подложка из кварца или сапфира) в вакуумную камеру с остаточным давлением 0.1 мПа таким образом, чтобы она была параллельна керамическим мишеням (ITO или ZnO чистотой 99.999%) и размещена на расстоянии 7 см; подача в камеру кислорода и аргона в отношении 1:2 до давления 1-1.5 Па; далее проводят последовательно операции напыления слоев ITO и ZnO. Толщина пленки ITO при этом составляет 150-200 нм, а толщина пленки ZnO составляет 600 нм. Затем образец помещают в кварцевую печь в атмосферу высокочистого кислорода и медленно нагревают до 400°С и выдерживают при этой температуре один час. Отожженный образец промывают в 20% растворе NH4Cl и после на поверхность ZnO осаждают слои алюминия толщиной 200 нм.

Недостатки данного способа связанны с тем, что для его реализации требуются весьма дорогие очень чистые материалы. Также данный способ требует поддержания строгого состава атмосферы в камере напыления, что крайне сложно реализуется, а несоблюдение данных параметров будет приводить к изменению морфологии пленки и изменению эксплуатационных параметров приборной структуры. Метод термического распыления является неравномерным методом нанесения с характерным максимумом в центре субстрата, что дает возможность при таком расположении покрывать площади не более 45×45 мм, чтобы добиться равномерности +/-5%.

Другой известный способ получения массива наностержней оксида цинка диаметром 40 нм и длинной 1 мкм для использования в качестве LED, полевого транзистора, фотодетектора и др. описан в патенте США (Пат. US 2006/0189018 А1 США, МПК H01L 21/00; H01L 33/00. Заявлено 25.06.2004; Опубл. 24.08.2006). Способ получения наноустройств основан на получении оксида цинка в результате разложения органических прекурсоров цинка (Zn(CH3)2, Zn(C2H5)2, Zn(CH3COO)2*H2O, Zn(CH3COO)2, Zn(C5H7O2)2, и т.д.) в атмосфере, содержащей кислород: O2, О3, NO2, Н2О (пар), CO2, С4Н8O и т.д. В результате чего пары прекурсора цинка и кислорода (или кислородсодержащего соединения), вступая в контакт с полупроводником р-типа, сформированного в виде тонкой пленки на поверхности субстрата, при температуре в диапазон 400-700°С и давлении 0.1-10 мм рт.ст. формируют наностержни ZnO.

Основным недостатком данного метода является низкая производительность и большой расход прекурсоров ввиду разложения их на нагревательных элементах и стенках камеры, что крайне неэффективно.

Наиболее близкий к заявленному изобретению является способ изготовления фотодетектора ближнего ультрафиолетового излучения (БУФИ) с фоторезистивной двухэлектродной структурой, содержащей полупроводниковый наноструктурированный слой ZnO n-типа проводимости в виде массива наностержней оксида цинка (MHC-ZnO) и два омических контакта (Zhang Н., Babichev A.V., Jacopin G., Lavenus P., Julien F.H., Egorov A.Yu., Zhang J., Pauporte Т., Tchernycheva M. Characterization and modeling of a ZnO nanowire ultraviolet photodetector with graphene transparent contact // J. Appl. Phys. - 2013. - V. 114. - P. 234505-1234505-9), поэтому данный способ принят за прототип. Известный способ включает в себя:

1) использование стеклянной подложки с высокопроводящим односторонним покрытием из легированного фтором оксида олова (SnO2:F), именуемым согласно сложившейся терминологии как FTO и имеющим поверхностное сопротивление RКВ=10 Ом/квадрат;

2) выращивание MHC-ZnO поверх FTO методом катодного потенциостатического электрохимического осаждения (ПЭХО) в прокачиваемом молекулярным кислородом водном электролите с начальным рН 5.5, содержащем 0.2 мМ ZnCl2 и 0.1М KCl, при напряжении на катоде (FTO) относительно насыщенного хлор-серебряного электрода сравнения (НХСЭС) UК=-1.0 В, температуре электролита ТЭ=(85±0,2)°С, вращении подложки с постоянной скоростью ω=5 Гц в течение времени τВ - 45 мин;

3) последующую промывку подложки с выращенным MHC-ZnO в деионизированной воде, сушку на воздухе и отжиг на воздухе (с целью снижения остаточной концентрации донорных центров) при температуре ТО=400°С в течение времени τО=1 час;

4) заполнение "spin-on" методом свободного пространства MHC-ZnO между нанонитями силсесквиоксаном водорода и последующее его преобразование в SiOX путем отжига при 400°С длительностью 1 час в потоке N2;

5) реактивное ионное стравливание с участием CF4 верхней части слоя SiOX до обнажения торцов нанонитей MHH-ZnO;

6) нанесение методом «влажного переноса» на один из квадратных участков поверхности MHC-ZnO площадью 25 мм2 прозрачного для БУФИ графена толщиной в 4 монослоя (предварительно выращенного способом газофазного химического осаждения на Si/SiO2/Ni подложке и отделенного от нее путем травления Ni в растворе FeCl3) с последующими естественной сушкой на воздухе и отжигом образца при 300°С в азотной среде;

7) изготовление поверх графена методами электронно-лучевого испарения и литографии прямоугольного «кольцевого» металлического двухслойного электрода Ti/Au толщиной 10 и 150 нм соответственно, охватывающего несколько меньшую площадь с прямоугольным окном в центре для обеспечения возможности проникновения БУФИ через это окно в соответствующую область MHC-ZnO;

8) изготовление аналогичными методами поверх обнаженных торцов нанонитей MHC-ZnO дистанцированного относительно графена второго сплошного прямоугольного двухслойного электрода Ti/Au, образующего прямоугольный щелевой зазор с первым электродом;

9) присоединение к металлическим электродам гибких проволочных выводов.

Согласно результатам структурных исследований MHC-ZnO состояли из нанонитей со средними значениями длины и диаметра 1 мкм и 150 нм соответственно, при средней поверхностной плотности нанонитей равной 10 нанонитей/мкм2. Фотолюминесцентные исследования выявили наличие сильного эмиссионного пика с максимумом при 380 нм (около 3.26 эВ) и полушириной 130 мэВ, а также слабой (в десятки раз менее интенсивной) желто-зеленой люминесценцией в области 600 нм (около 2.07 эВ), связанной с являющимися донорными центрами кислородными вакансиями и другими структурными дефектами в нанонитях ZnO. Как показали электрооптические исследования таких приборов, в случае генерированного ультрафиолетовым светодиодом БУФИ с λБУФИ=357 нм и РФ*=8,5 мВт/см2 стационарный фототок при U=1 В составлял IФ=9.9 мА, а начальный темновой ток IТ=3.9 мА. Это соответствует весьма низкой спектральной чувствительности (кратности изменения тока под влиянием БУФИ) - К=IФ/IТ≈2.5, что, по-видимому, обусловлено высокой остаточной концентрацией донорных центров в нанонитях ZnO. Время отклика при низкочастотном воздействии БУФИ составляло τотк≈80 с, а время отсечки - τотс≈240 с, которое примерно в 4 раза превышает практически целесообразное.

Таким образом, изготавливаемый известным способом фотодетектор БУФИ при UК=-1.0 В обеспечивает надлежащий уровень стационарного значения фототока, но характеризуется недопустимо низкой кратностью изменения тока под влиянием БУФИ, повышенным временем отсечки, частичной чувствительностью в видимой желто-зеленой области спектра, достаточно энергозатратной, весьма сложной и дорогой для промышленного изготовления технологией с использованием золота, графена и фотолитографии.

Задачей изобретения является изготовление селективно чувствительного солнечно-слепого фотодетектора БУФИ на основе массива МНС-ZnO, который позволяет значительно повысить спектральную чувствительность под влиянием БУФИ, снизить время отсечки, существенно упростить технологию изготовления такого фотодетектора, снизить ее энергозатратность, исключить необходимость использования платины, золота, палладия, индия, графена, электронно-лучевого испарения, реактивного ионного травления и фотолитографии.

Поставленная задача решается за счет использования импульсного электрохимического осаждения (ИЭХО), при котором формируется полупроводниковый наноструктурированный слой ZnO n-типа проводимости в виде MHC-ZnO, и использования термовакуумного напыления алюминиевых контактов под углом не более 35° к подложке. Данный способ включает в себя следующие этапы:

1) использование односторонне покрытой слоем FTO (сопротивлением 7-10 Ом/квадрат) прозрачной для БУФИ стеклянной подложки, подвергнутой комплексной жидкофазной химической очистке (в перхлорэтилене, серной кислоте и деионизированной воде в ультразвуке, в парах изопропилового спирта) от возможных загрязнений органической и неорганической природы;

2) катодное импульсное электрохимическое осаждение MHC-ZnO со срастающимися у основания наностержнями длиной менее 1 мкм на часть тыльной стороны неподвижной подложки со слоем FTO при температуре 60 +/-5°С и длительности процесса до 1 часа в не перемешиваемом механически и не барботируемым какими-либо газами водном нитратном электролите, содержащем Zn(NO3)2 и NaNO3;

3) последующую промывку подложки с MHC-ZnO в деионизированной воде и сушку в потоке теплого воздуха;

4) термовакуумное косое осаждение, под углом не более 35° к поверхности подложки, тыльных алюминиевых микроконтактов на верхние концы наностержней и поверх FTO за пределами MHC-ZnO через соответствующую теневую маску из алюминия с двумя прямоугольными окнами;

5) коммутирование тыльных алюминиевых микроконтактов на верхних концах наностержней высокопроводящим вязким эпоксидным клеем, нанесение слоя этого клея поверх алюминиевого контакта к FTO и приклеивание им гибких проволочных выводов к коммутирующему тыльному высокопроводящему эпоксидному контакту, а также к высокопроводящему эпоксидному слою на алюминиевом контакте к FTO;

6) отжиг полученной приборной структуры с MHC-ZnO в термостате на воздухе при температуре 245-255°С длительностью от 270 с до 330 с и ее последующее самопроизвольное остывание вместе с термостатом до комнатной температуры.

Суть заявляемого технического решения состоит в том, что новый способ изготовления селективно чувствительного солнечно-слепого фотодетектора БУФИ с фоторезистивной двухэлектродной структурой, содержащей полупроводниковый наноструктурированный слой ZnO n-типа проводимости в виде MHC-ZnO и два омических контакта, имеет существенные преимущества в сравнении с описанным в прототипе по ряду важных достигаемых при его применении результатов:

1) в отличие от катодного ПЭХО, использованного в прототипе для выращивания MHC-ZnO, катодное импульсное электрохимическое осаждение, в силу специфики протекания соответствующих электрохимических процессов и возможности более гибкого управления ими за счет целенаправленного варьирования амплитудными и временными параметрами импульсов напряжения в электрохимической ячейке между проводящей подложкой (катодом), на которой формируются MHC-ZnO, и противоэлектродом, позволяет обеспечивать изготовление MHC-ZnO с оптимальными для фотодетектора БУФИ структурой и свойствами при значительно меньших энергозатратах как на стадии выращивания, так и при последующем отжиге на воздухе;

2) благодаря этому при облучении такого фотодетектора со стороны фронтальной поверхности подложки ему присущи примерно на два с половиной порядка большие значения спектральной чувствительности к БУФИ в интервале 365-370 нм и полное отсутствие фоточувствительности при λ>380 нм и сниженное более чем в 5 раз время отсечки;

3) акцентированные преимущества реализуются без использования дорогостоящих платины, золота, палладия, индия и графена в элементах конструкции фотодетектора, а также без применения электронно-лучевого испарения, реактивного ионного травления и фотолитографии, существенно усложняющих технологию промышленного изготовления таких приборов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где

на Фиг. 1 схематически изображен общий вид фотодетектора, получаемого настоящим способом и состоящего из: 1 - прозрачной для БУФИ стеклянной подложки; 2 - высокопроводящего слоя FTO с поверхностным сопротивлением 7-10 Ом/квадрат; 3 - массива сросшихся у оснований наностержней из ZnO со средними длиной 0.65 мкм и диаметром несросшихся участков вблизи их вершин 0.30 мкм; 4 - пленочных алюминиевых омических микроконтактов к верхним концам этих наностержней и пленочного алюминиевого контакта 9 к слою FTO, образующего в свою очередь омический контакт с основаниями сросшихся наностержней из ZnO; 5 - слоя высокопроводящей эпоксидной композиции, коммутирующего алюминиевые микроконтакты на верхних концах наностержней, и аналогичного слоя 8, покрывающего сплошной алюминиевый контакт 9; 6 - гибкого проволочного вывода, приклеенного высокопроводящим эпоксидным клеем к слою 5; 7 - гибкого проволочного вывода, приклеенного высокопроводящим эпоксидным клеем к слою 8;

на Фиг. 2 показана эпюра импульсов напряжения UK между катодом (рабочим электродом, являющимся слоем FTO на стеклянной подложке) и насыщенным хлорсеребряным электродом сравнения, соответствующая режиму катодного импульсного электрохимического осаждения массива наностержней ZnO на слой FTO в трехэлектродной электрохимической ячейке при формировании MHC-ZnO, где согласно общепринятой терминологии: UВКЛ=-1.4 В - максимальное по абсолютной величине значение UK, UВЫК=-0.8 В - минимальное по абсолютной величине значение UK, τИ=0.3 с - длительность импульса UВКЛ; τС=0.2 с - длительность импульса UВЫКЛ; указанные временные параметры соответствуют коэффициенту заполнения 0.6 и частоте f=2 Гц;

на Фиг. 3, а, б приведены результаты исследований полуконтактным методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) с помощью установки "НаноЛаборатория Интегра Прима NT-MDT", типичные для тестовых образцов массивов наностержней ZnO, осажденных в условиях, аналогичных реализуемым при изготовлении рассматриваемого фотодетектора, где: а - 3D - изображение массива наностержней ZnO; б - профиль поверхности этого массива в произвольно выбранном направлении прямолинейного перемещения над ней консоли кантилевера, из которого следуют указанные выше средние длина наностержней ZnO и диаметр их несросшихся участков вблизи вершин;

на Фиг. 4 представлена полученная с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-4 в излучении NiKα (длина волны λNiKα=1.65784 ) при фокусировке по Брэггу-Брентано (θ-2θ) дифрактограмма, типичная для тестовых образцов массивов наностержней ZnO, осажденных в условиях, аналогичных реализуемым при изготовлении рассматриваемого фотодетектора, содержащая информацию о их кристаллической структуре и текстуре (звездочкой обозначены максимумы, принадлежащие слою FTO);

на Фиг. 5 приведен полученный с помощью спектрометра LabRam HR800 в геометрии обратного рассеяния при комнатной температуре спектр фотолюминесценции, типичный для тестовых образцов массивов наностержней ZnO, осажденных в условиях, аналогичных реализуемым при изготовлении рассматриваемого фотодетектора, который содержит информацию об их электронной энергетической структуре, а также о возможном соотношении их спектральной чувствительности в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра;

на Фиг. 6 показан метод измерения динамических вольт-амперных характеристик (ВАХ) рассматриваемого фотодетектора с помощью промышленного измерителя параметров полупроводниковых приборов (ИППП) типа Л2-56 при облучении фотодетектора со стороны стекла БУФИ соответствующего светодиода (световая динамическая ВАХ), который пригоден и использовался также для измерения динамических световых ВАХ фотодетектора при его светодиодном облучении излучением из видимой области спектра или в отсутствие какого-либо облучения (темновая динамическая ВАХ);

на Фиг. 7, а и б представлены темновые (отсутствие облучения) и световые (при облучении стационарным БУФИ с 365≤λБУФИ≤370 нм и удельной мощностью на фотоприемной поверхности стеклянной подложки РФ*=0.53 Вт/см2) динамические ВАХ рассматриваемого фотодетектора, измеренные указанным выше методом (см. фиг. 6);

на Фиг. 8 показан метод получения осциллограммы фототока IФ рассматриваемого фотодетектора - тока, протекающего в фотодетекторе с сопротивлением RФ при его облучении потоком прямоугольных импульсов БУФИ и в измерительной цепи, к которой подключен фотодетектор, где: 1 - фотодетектор; 2 - поток прямоугольных импульсов БУФИ с 365≤λБУФИ≤370 нм и амплитудой удельной мощности РФ*=0.53 Вт/см2 на фотоприемной поверхности стеклянной подложки, имеющий форму меандра со скважностью Su=2 и длительностью импульсов τu=312 с; 3 - источник HY3020MR варьируемого с шагом 0.1 В стабилизированного постоянного напряжения; 4 - резистор с активным сопротивлением Ra<<RФ; 5 - цифровой запоминающий осциллограф RIGOL DS1064 В для регистрации напряжения Ua на резисторе 4, по которому величина IФ определяется с помощью соотношения IФ=Ua/Ra; 6 - мультиметр MS8050, параллельно подключенный к фотодетектору как вольтметр для измерения напряжения U на фотодетекторе;

на Фиг. 9 приведен фрагмент осциллограммы фототока IФ рассматриваемого фотодетектора при напряжении на фотодетекторе U=1 В, который позволяет оценить степень воспроизводимости индикации БУФИ таким прибором в режиме спектральной чувствительности, соответствующей указанному напряжению, и определить его время отклика τотк, в течение которого регистрируемый фотодетектором сигнал увеличивается от нулевого значения при приходе импульса БУФИ до 0.63 его максимальной величины, соответствующей выходу на насыщение под действием этого импульса, а также время отсечки τотс, в течение которого регистрируемый фотодетектором сигнал уменьшается от указанной максимальной величины до 0.37 ее значения после отсечки импульса БУФИ.

Пример 1. Изготовление фотодетектора с ограниченным диапазоном спектральной чувствительности в области БУФИ на основе MHC-ZnO, общий вид которого схематически показан на Фиг. 1, осуществлялось с использование прямоугольной прозрачной для БУФИ подложки, покрытой с одной стороны слоем FTO с сопротивление 7-10 Ом/квадрат. Затем эти подложки подвергались комплексной химической очистке: в перхлорэтилене в ультразвуке в течение 20 мин; в парах изопропилового спирта в течение 1 часа; промывке в деионизированной воде; очистке в концентрированной серной кислоте в течение 30 секунд; промывке в ультразвуковой ванне с деионизированной водой и сушке в потоке теплого воздуха.

Осаждение на отмытую стеклянную подложку проводилось в термостатированной трехэлектродной электрохимической ячейке с водным нитратным электролитом, содержащем 0.05 М Zn(NO3)2 и 0.1 М NaNO3. Температура на протяжении всего процесса формирования MHC-ZnO поддерживалась в интервале 55-65°С, время формирования 60 минут. В качестве противоэлектрода - анода использовалась платиновая спираль. Электродом сравнения являлся насыщенный хлорсеребряный электрод стандартной конструкции. На рабочий электрод подавались прямоугольные импульсы напряжения (согласно Фиг. 2) с частотой ƒ=2 Гц. При этом UВКЛ=-1,4 В и UВЫК=-0,8 В подавались в течении 0.3 и 0.2 секунд соответственно; количество импульсов при этом составляло 7200.

Далее в вакуумной установке, при давлении остаточных газов 0.1-1 мПа, через теневую маску из алюминия на поверхность подложки, частично покрытой массивом наностержней ZnO, осуществлялось термовакуумное осаждение парового потока атомов алюминия на верхние концы наностержней ZnO и поверх слоя FTO за пределами указанного массива. Подложка с маской располагалась под углом 30° к нормали к вертикали над испарителем, что позволяет избежать полного обволакивания металлом наностержней ZnO. Осаждение алюминия проводят до формирования слоя толщиной 80-100 нм. Затем тыльные алюминиевые микроконтакты на верхних концах наностержней ZnO коммутируются между собой путем нанесения сплошного слоя высокопроводящего вязкого эпоксидного клея на внешнюю поверхность, как показано на Фиг. 1. Подсоединение одного из гибких медных проволочных выводов фотодетектора одновременно ко всем с алюминиевыми микроконтактами, который после отвердевания образует единый тыльный высокопроводящий эпоксидный контакт фотодетектора (позиция 5 на Фиг. 1). Аналогичная операция выполнялась для изготовления высокопроводящего эпоксидного контакта (позиция 8 на Фиг. 1) поверх алюминиевого контакта (позиция 9 на Фиг. 1), нанесенного на слой FTO. Подсоединение внешних гибких медных проволочных выводов диаметром 0.1 мм каждый (позиции 6 и 7 на Фиг. 1) к указанным двум высокопроводящим эпоксидным контактам (позиции 5 и 8 на Фиг. 1) осуществлялось их приклеиванием аналогичным высокопроводящим эпоксидным клеем с последующим его отвердеванием.

Завершающей операцией при изготовлении фотодетектора был его отжиг на воздухе длительностью τO=300 с при температуре ТO=250+/-5°С.

Выполненные методом, показанным на Фиг. 6, измерения приведенных на Фиг. 7 динамических ВАХ рассматриваемого фотодетектора показывает, что при облучении его стационарным БУФИ с 365≤λБУФИ≤370 нм и удельной мощностью на фотоприемной поверхности стеклянной подложки РФ*=0.53 Вт/см2 приводит в области максимальной спектральной чувствительности при U=1 В к фототоку IФ=5.0 мА, а в отсутствие облучения при U=1 В его темновой ток составляет IТ=9.4 мкА (Фиг. 7, а), что соответствует спектральной чувствительности S≈532.

Таким образом, при U=1 В и воздействии БУФИ спектральная чувствительность фотодетектора, изготовленного заявляемым способом, примерно в 213 раз выше спектральной чувствительности фотодетектора, изготовленного согласно прототипу. Вместе с тем, как было установлено методом динамической световой ВАХ, у фотодетектора, изготовленного заявляемым способом, при λ>380 нм спектральная чувствительность практически отсутствовала.

Согласно осциллограмме, приведенной на Фиг. 9, после отжига фотодетектора, изготовленного заявляемым способом, его время отклика τотк=100 с, что незначительно отличается от τотк прототипа, а время отсечки τотс=42 с, что примерно в 5.7 раза меньше τотс прототипа. Помимо этого, из акцентированной осциллограммы следует хорошая воспроизводимость моностабильного процесса переключения фотодетектора, изготовленного заявляемым способом, между устойчивым низкопроводящим состоянием в отсутствие облучения и метастабильным высокопроводящим состоянием во время облучения ближним ультрафиолетовым излучением, что свидетельствует о надлежащей стабильности работы такого фотодетектора.

Воспроизводимость описанной выше результативности заявляемого изобретения фотодетектора с ограниченным диапазоном спектральной чувствительности на основе массива наностержней оксида цинка проверена в серии экспериментов.

Таким образом, использование заявляемого в изобретении способа позволяет изготавливать селективно чувствительный солнечно-слепой фотодетектор ближнего ультрафиолетового излучения на основе массива наностержней ZnO со значительно повышенными спектральной чувствительностью и фототоком при напряжении 1 В, а также с существенно сниженным временем отсечки, применяя достаточно простую, низкоэнергозатратную, экологически чистую и легко адаптируемую для промышленного применения технологию изготовления, исключающую необходимость использования в элементах конструкции фотодетектора дорогостоящих платины, золота, палладия, индия, графена, а также сложных в реализации и дорогостоящих методов электронно-лучевого испарения, реактивного ионного травления и фотолитографии.

1. Способ изготовления фотодетектора с ограниченным диапазоном спектральной чувствительности на основе массива наностержней оксида цинка, включающий катодное электрохимическое осаждение массива наностержней ZnO на часть площади высокопроводящей прозрачной для ближнего ультрафиолетового излучения подложки, являющейся одним из омических контактов к сопрягающемуся с ней основанию массива наностержней ZnO, нанесение второго слоистого омического контакта на верхние концы наностержней ZnO этого массива, нанесение слоистой проводящей контактной площадки на высокопроводящую подложку за пределами массива наностержней ZnO, гальваническое сопряжение гибких проволочных выводов со слоистым омическим контактом на верхних концах наностержней ZnO и с проводящей контактной площадкой за пределами массива наностержней ZnO, отличающийся тем, что получение массива наностержней ZnO в условиях, обеспечивающих срастание оснований соседних наностержней, осуществляется его катодным импульсным электрохимическим осаждением на часть площади неподвижной подложки, предварительно химически очищенной в ультразвуковой ванне от возможных загрязнений органической и неорганической природы, промытой в деионизированной воде и высушенной в потоке теплого воздуха; нанесение слоистого омического контакта на верхние концы наностержней ZnO этого массива и нанесение слоистой проводящей контактной площадки на высокопроводящую подложку выполняется термовакуумной металлизацией соответствующих областей алюминием через теневую маску и последующим формированием высокопроводящих эпоксидных контактных слоев поверх металлизированных областей; гальваническое сопряжение гибких проволочных выводов со слоистым омическим контактом на верхних концах наностержней ZnO и с проводящей контактной площадкой за пределами массива наностержней ZnO осуществляется приклейкой высокопроводящим эпоксидным клеем гибких проволочных выводов к ранее сформированным в этих областях высокопроводящим эпоксидным слоям; завершающей операцией является отжиг этой конструкции на воздухе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокопроводящая прозрачная для ближнего ультрафиолетового излучения подложка изготовлена из стеклянной пластины NSG TEC™ А7 компании Pilkington с нанесенным слоем FTO толщиной 450-550 нм и удельным сопротивлением 7-10 Ом/квадрат.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катодное импульсное электрохимическое осаждение массива наностержней ZnO со срастающимися основаниями осуществляется в стандартной стеклянной термостатированной трехэлектродной электрохимической ячейке с не перемешиваемым и не барботируемым какими-либо газами водном растворе нитрата цинка и нитрата натрия.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что катодное импульсное электрохимическое осаждение массива наностержней ZnO со срастающимися основаниями осуществляется при прямоугольных импульсах напряжения между подложкой-катодом и платиновым анодом с частотой 2 Гц и коэффициентом заполнения 0.6.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что потенциалы окисления и восстановления взяты соответственно минус 1.4 В и минус 0.8 В относительно хлорид серебряного электрода сравнения.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что термовакуумная металлизация верхних концов наностержней ZnO алюминием выполняется под углом 30° к вертикали и над испарителем при давлении остаточных газов от 0.1 до 1 мПа.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гибкие выводы изготавливаются из медного провода диаметром 0.08-0.10 мм.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к способу изготовления солнечного элемента, имеющего долговременную надежность и высокую эффективность, причем упомянутый способ включает в себя: этап нанесения пастообразного электродного вещества на просветляющую пленку, сформированную на стороне светопринимающей поверхности полупроводниковой подложки, имеющей по меньшей мере pn-переход, причем упомянутое электродное вещество содержит проводящий материал; и этап обжига электрода, включающий в себя локальную термообработку для подачи тепла так, что обжигают по меньшей мере часть проводящего материала посредством облучения лазерным лучом только участка с нанесенным электродным веществом, и термообработку всего объекта для нагревания полупроводниковой подложки целиком до температуры ниже 800°C.

Способ изготовления солнечного элемента включает в себя формирование с высокой производительностью просветляющей пленки, содержащей нитрид кремния, причем упомянутая просветляющая пленка обладает превосходным пассивирующим эффектом.

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев узкозонных полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe для изготовления на их основе фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.
Изобретение относится к технологии изготовления полупроводникового фотоприемника (ФП) и может быть использовано при создании матричных ФП различного назначения. Способ изготовления матричного ФЧЭ на основе GaAs, в котором согласно изобретению базовую область МФЧЭ после гибридизации с БИС мультиплексором утоньшают от 500 мкм до 20-40 мкм с помощью ХМП, включающего обработку пластины МФЧЭ вращающимся полировальником, утоньшение проводят сначала ХМП от толщины 500 мкм до 40-50 мкм полирующим составом, содержащим (10,0÷45,0) г/л водного раствора гипохлорита натрия и (0,5÷3,0) г/л водного раствора гидроокиси натрия, а затем проводят с помощью ХМП утоньшение базовой области до толщины 20-40 мкм в полирующем составе, содержащем в качестве комплексообразователя винную кислоту при концентрации 7,0÷70,0% об., окислителя - пероксид водорода при концентрации 7,0÷70,0% об., смазки - этиленгликоль при концентрации 5,0÷15,0% об., остальное - деионизованная вода.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а именно к структуре фотопреобразователей на основе монокристаллического или поликристаллического кремния и к линии по производству фотопреобразователей.

Изобретение относится к способу изготовления многоэлементных или матричных фотоприемников на основе антимонида индия. Многоэлементный фотоприемник на основе антимонида индия включает матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с антиотражающим покрытием на освещаемой стороне фоточувствительных элементов (ФЧЭ), соединенных микроконтактами со схемой считывания.

Согласно изобретению предложен способ изготовления солнечных батарей, содержащий этапы формирования пленки SiNx поверх второй главной поверхности полупроводниковой подложки n-типа; формирования диффузионного слоя p-типа поверх первой главной поверхности полупроводниковой подложки n-типа после стадии формирования пленки SiNx; и формирования поверх диффузионного слоя p-типа пассивирующей пленки, состоящей из пленки SiO2 или пленки оксида алюминия.

Изобретение относится к способам получения тройных нано-гетероструктур из полупроводниковых материалов, характеризующихся различной шириной запрещенной зоны, и может быть использовано при разработке фотокатализаторов на основе нано-гетероструктурных материалов в фотоэлектрохимических и фотокаталитических устройствах для получения чистого водорода и кислорода, синтеза органических молекул.

Изобретение относится к способам коммутации ячеек фотоэлектрических преобразователей на основе кристаллического кремния, в частности к способу контактирования контактных шин к пластинам фотоэлектрических преобразователей с применением адгезивов и ультразвуковой пайки.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и может быть использовано для создания переизлучающих текстурированных покрытий для использования в тонкопленочных солнечных элементах.

Изобретение относится к технологии изготовления фотопреобразователя с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД). Предложен способ изготовления фотопреобразователя путем формирования в pin-структуре i-слоя на основе арсенида индия InGaAs между слоями GaAs и AlGaAs на подложках GaAs, при давлении 4⋅10-7-10-8 Па, температуре 600-800°С и скорости роста 2 Å/с. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразования, обеспечение технологичности, улучшение параметров, повышение качества и увеличение процента выхода годных. 1 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления фотопреобразователя с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД). Предложен способ изготовления фотопреобразователя путем формирования в pin-структуре i-слоя на основе арсенида индия InGaAs между слоями GaAs и AlGaAs на подложках GaAs, при давлении 4⋅10-7-10-8 Па, температуре 600-800°С и скорости роста 2 Å/с. Изобретение обеспечивает повышение КПД преобразования, обеспечение технологичности, улучшение параметров, повышение качества и увеличение процента выхода годных. 1 табл.

Изобретение относится к технологиям преобразования солнечной энергии в электрическую. Перовскитная солнечная ячейка представляет собой слоистую структуру, включающую, по меньшей мере, три слоя: два проводящих слоя - р-проводящий и n-проводящий, а также размещенный между ними светопоглощающий слой, при этом один из проводящих слоев выполнен пористым, а светопоглощающий слой имеет перовскитную структуру общей структурной формулой АВХ3, где в качестве А используют Cs+, или СН3МН3+, или (NH2)2CH+, в качестве В используют Pb2+ или Sn2+, в качестве X используют I-, или Br-, или Cl-. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение эффективности преобразования солнечной энергии перовскитными солнечными ячейками, изготовленными при помощи заявляемого способа, не менее 5%. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом относится к солнечной энергетике, в частности к способам изготовления фотопреобразователей на трехкаскадных эпитаксиальных структурах GaInP/Ga(In)As/Ge, выращенных на германиевой подложке. Технический результат, получаемый предлагаемым способом изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, заключается в улучшении электроизоляции фотопреобразователя и диода; повышении параметров и надежности фотоэлемента. Достигается технический результат тем, что в способе изготовления фотопреобразователя со встроенным диодом, включающем создание на германиевой подложке с выращенными эпитаксиальными слоями трехкаскадной структуры GaInP/Ga(In)As/Ge фоторезистивной маски с рисунком лицевых контактов фотопреобразователя и диода, вытравливание диодной площадки, формирование напылением и взрывом лицевых контактов Gr/Ag/Au-Ge/Ag/Au, создание фоторезистивной маски с окнами под мезаизоляцию фотопреобразователя и встроенного диода, вытравливание мезы, удаление фоторезиста, напыление слоев тыльной металлизации Gr/Au/Ag/Au, отжиг контактов, вскрытие оптического окна травлением, напыление просветляющего покрытия, выполнение дисковой резки эпитаксиальной структуры на чипы, выравнивание чипов посредством охлаждения в парах азота, после напыления и взрыва лицевых контактов создают фоторезистивную маску под мезаизоляцию, в окнах которой защищаются области эпитаксиальной структуры, расположенные напротив контактных площадок по периметру фотопреобразователя со встроенным диодом, причем после вытравливания мезы и удаления фоторезиста создают фоторезистивную маску, защищающую участки для резки на тыльной стороне германиевой подложки, кроме того, после напыления тыльной металлизации удаляют фоторезист, после отжига контактов выравнивают металлизированную подложку охлаждением в парах азота, выполняют дисковую резку по тыльной стороне подложки, а после вскрытия оптического окна напыляют просветляющее покрытие на чипы. 6 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлооксидных солнечных элементов, сенсоров, систем запасания энергии, катализаторов. Для получения мезопористой наноструктурированной пленки металлооксида методом электростатического напыления напыляемый материал помещают в контейнер с выпускным отверстием. В качестве напыляемого материала используют сухой нанокристаллический порошок диоксида титана со средним размером частиц 25 нм. Заземляют твердую подложку, в качестве которой используют стекло, кварц, керамику с токопроводящим покрытием или металл. Подают напыляемый материал через выпускное отверстие с образованием потока напыляемого материала. Прикладывают разность потенциалов между выпускным отверстием и твердой заземленной подложкой. Полученную пленку диоксида титана подвергают обработке 10%-ной уксусной кислотой. Проводят термическую обработку при температуре 400-450°С в течение 30-40 мин. Изобретение позволяет упростить получение мезопористой наноструктурированной пленки металлооксида, повысить адгезию пленки к поверхности подложки, повысить КПД солнечного элемента при использовании такой пленки в качестве фотоэлектрода для создания металлооксидных сенсибилизированных солнечных элементов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

Настоящее изобретение относится к способу формирования сильнолегированного серой микроструктурированного кристаллического слоя на поверхности кремния, который может быть использован в солнечной энергетике, оптоэлектронике, приборах ночного и тепловидения. Способ заключается в размещении поверхности кремния под химически активной жидкой средой серосодержащего соединения и облучении поверхности кремния импульсами сфокусированного лазерного излучения наносекундной длительности инфракрасного диапазона, при этом задают плотность энергии лазерного излучения достаточной для проникновения этим излучением через жидкую среду к поверхности кремния с разложением молекул серосодержащего соединения до выделения атомов серы и для нагрева поверхности кремния до температуры, при которой происходит диффузия в нее атомов серы вместе с ее абляционным микроструктурированием и отжигом. Технический результат изобретения состоит в многократном расширении области и величины высокой поглощательной способности (в том числе высокого коэффициента поглощения) поверхностного слоя кремния в процессе сверхлегирования атомами серы под действием лазерного облучения с сохранением его кристаллического характера. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для изготовления устройств рентгеновской маммографии и томосинтеза. Сущность изобретения заключается в том, что по меньшей мере один матричный фотоприемник контролируемо юстируют путем вращения и перемещения по жидкой фазе оптического полимера, предварительно нанесенного на по меньшей мере часть поверхности волоконно-оптической плиты, с последующей фиксацией отверждением указанного полимера. Технический результат: обеспечение возможности минимизировать вероятность повреждения чипа фотоприемника. 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного ИК излучения при комнатной температуре. Способ изготовления диодов для средневолнового ИК диапазона спектра включает выращивание полупроводниковых слоев, по крайней мере один из которых поглощает/излучает кванты с энергией 0.2-0.6 эВ, проведение фотолитографии и напыление на полупроводниковые слои n- и р-типа последовательности металлических контактных слоев заданной геометрии, по крайней мере один из которых содержит благородный металл и примеси и по крайней мере один из которых содержит никель и примеси, вжигание контактных слоев при температуре 310-400о С. При этом упомянутое напыление на слой р-типа проводимости начинают с напыления сплава, содержащего серебро (80-97) масс.% и марганец (3-20) масс.%, затем последовательно проводят напыление слоя, содержащего никель и примеси, и слоя золота с примесями. 7 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике. Способ изготовления диодов средневолнового ИК диапазона спектра включает выращивание на подложке из арсенида индия твердого раствора InAs1-x-ySbxPy и разделенные р-n-переходом слои p- и n-типа проводимости, нанесение на поверхность гетероструктуры фоточувствительного материала, экспонирование через маску с системой темных и светлых полей, проявление, удаление по крайней мере части фоточувствительного материала, подложки и эпитаксиальной структуры при формировании мез(ы), подготовку поверхности для формирования омических контактов, напыление на поверхность слоев и/или подложки металлических композиций заданной геометрии, при этом согласно изобретению способ включает финальную стадию процесса удаления подложки или ее части при химическом травлении в водном растворе соляной кислоты. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности работы диода средневолнового ИК диапазона спектра за счет улучшения условий для вывода/ввода излучения из полупроводникового кристалла. 9 ил., 4 пр.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике. Способ изготовления диодов средневолнового ИК диапазона спектра включает выращивание на подложке из арсенида индия твердого раствора InAs1-x-ySbxPy и разделенные р-n-переходом слои p- и n-типа проводимости, нанесение на поверхность гетероструктуры фоточувствительного материала, экспонирование через маску с системой темных и светлых полей, проявление, удаление по крайней мере части фоточувствительного материала, подложки и эпитаксиальной структуры при формировании мез(ы), подготовку поверхности для формирования омических контактов, напыление на поверхность слоев и/или подложки металлических композиций заданной геометрии, при этом согласно изобретению способ включает финальную стадию процесса удаления подложки или ее части при химическом травлении в водном растворе соляной кислоты. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности работы диода средневолнового ИК диапазона спектра за счет улучшения условий для вывода/ввода излучения из полупроводникового кристалла. 9 ил., 4 пр.

Изобретение относится к оптоэлектронным приборам, в частности к нанотехнологиям солнечно-слепых фотодетекторов ближнего ультрафиолетового излучения на основе 1D наноструктурированного оксида цинка. Изобретение обеспечивает повышение спектральной чувствительности солнечно-слепого фотодетектора к БУФИ и снижение его времени отсечки τотс при смещающем напряжении U≤1 В, упрощение технологии изготовления такого фотодетектора, снижение ее энергозатратности и повышение уровня экологичности, исключение необходимости использования платины, золота, палладия, индия, графена в элементах конструкции указанного прибора. Данная задача решается за счет катодного импульсного электрохимического осаждения из водного нитратного электролита при 55-65°С в течение 60 минут на высокопроводящую прозрачную для БУФИ неподвижную подложку массива срастающихся у оснований наностержней ZnO со средней длиной 0.65 мкм и средним диаметром несросшихся участков вблизи верхних концов 0.30 мкм, последующей термовакуумной металлизации под углом к вертикали тонкопленочным алюминием через теневую алюминиевую маску верхних концов наностержней ZnO и высокопроводящей поверхности подложки за пределами их массива, формирования высокопроводящих эпоксидных контактных слоев поверх металлизированных областей, приклейки эпоксидным высокопроводящим клеем гибких медных проволочных выводов к контактным слоям и отжига этой конструкции на воздухе при 250°С длительностью 300 с. Данный способ изготовления фотодетектора прост в реализации и позволяет получить фотодетектор со спектральной чувствительностью около 532 при U1 В в диапазоне длин волн 365-370 нм и с временем отсечки 42 секунды, а также практически полным отсутствием фоточувствительности при λ>380 нм. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх