• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
27 марта
РНФ
233

«Узоры» на кристаллах сделали кремниевый фотодетектор в два раза чувствительнее к свету

4.4

Ученые описали этапы формирования объемного «рисунка» на поверхности кристаллического кремния под действием лазерного излучения. Такой «рисунок» улучшает способность материала поглощать свет, поэтому полученные в результате лазерной обработки образцы кремния позволили авторам сконструировать датчик света, чувствительность которого в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн в два раза превышает характеристики прибора на основе обычного кремния. На таких длинах волн сигнал в кварцевом оптоволокне ослабевает гораздо меньше, поэтому предложенное устройство можно будет использовать для усовершенствования оптоволоконных сетей, обеспечивающих интернет-соединение.

Схема эксперимента и структура поверхности кремния при разной интенсивности лазерной обработки. Источник: Y. Borodaenko et al. / Advanced Materials Technologies, 2024
Схема эксперимента и структура поверхности кремния при разной интенсивности лазерной обработки / © Y. Borodaenko et al. / Advanced Materials Technologies, 2024

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Materials Technologies. Практически все микросхемы в телефонах, компьютерах и других электронных устройствах состоят из кремния, образующего однородные по своей структуре кристаллы — так называемые монокристаллы. Кроме того, кремний лежит в основе солнечных панелей, датчиков освещения и фотодетекторов, используемых в оптоволоконных линиях связи. В таких устройствах важна способность кремния поглощать падающее на него излучение и преобразовывать его в электричество.

Так, чем лучше материал поглощает свет, тем выше чувствительность устройства. Исследования показали, что повысить эту способность можно благодаря лазерной обработке поверхности кремния, с помощью которой формируется объемный «рисунок», похожий на гравировку. Однако, несмотря на то, что ученые уже пытаются повысить чувствительность фотодатчиков с помощью такого подхода, процесс формирования «рисунка» на поверхности кремния остается не до конца понятным. Это не позволяет тонко настраивать свойства кристалла с помощью лазерной обработки.

Исследователи из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) с коллегами описали, как поверхность монокристаллического кремния изменяется при обработке лазером. Авторы поместили кристалл в раствор органического спирта метанола и подавали на образец лазерные импульсы продолжительностью в квадриллионные доли секунды (на 15 порядков меньше секунды). При этом количество импульсов, попадающих на каждый квадратный микрометр (миллионную долю квадратного миллиметра) поверхности, меняли от пяти до пятидесяти.


Схема изготовленного авторами фотодетектора / © Y. Borodaenko et al. / Advanced Materials Technologies, 2024

«Мы несколько изменили принятую научным сообществом методику лазерной обработки: мы провели ее, когда материал находился не в воздушной среде, а в жидкой — метаноле. Это позволило предотвратить окисление кремния кислородом, избежать попадания какого-либо мусора на поверхность материала, а также сформировать регулярные и плотные наноструктуры», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Сюбаев, младший научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Эксперимент показал, что при небольшом количестве импульсов (5–10) на поверхности кристалла создаются объемные наноструктуры, которые формируют рисунок из параллельных выпуклых полос. Когда на каждый квадратный микрометр кремния подавали 25–50 лазерных импульсов, «узор» из полос превращался в «лабиринт» из выпуклостей неправильной формы. Это объясняется тем, что при интенсивной лазерной обработке материал нагревается и частично плавится, что приводит к его перераспределению и изменению структуры поверхности.

Кроме того, авторы выяснили, как меняется «узор» на поверхности кристалла в зависимости от поляризации лазерного луча. Поляризация — это характеристика, которая отражает, как векторы (то есть направления распространения) электрического и магнитного полей световой волны ориентированы в пространстве. Так, если колебания вектора электрического поля происходят в какой-то одной плоскости, то лазер может формировать на поверхности как параллельные линии, так и шарообразные структуры.

Когда же вектор электрического поля вращается в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, на поверхности кристалла формируются только шарообразные выпуклости. Если дополнительно использовать оптический элемент, изменяющий поляризацию, то можно получить условия, когда колебания вектора электрического поля в любой точке окажутся перпендикулярным по отношению к оси светового луча. Тогда лазерный пучок будет похож на бублик, а при обработке им поверхности будут получаться наноструктуры, внешне напоминающие колосок пшеницы.

Затем исследователи оценили способность полученных образцов поглощать свет. Оказалось, что все исследованные «узоры» отражали, то есть «теряли» не более 5% света, что подтверждает возможность использовать их в высокочувствительных фотодетекторах. Чтобы на практике доказать, что монокристаллический кремний после лазерной обработки более чувствителен к свету, чем исходные образцы, авторы сконструировали на их основе фотодетектор. Оказалось, что чувствительность устройства к инфракрасному излучению в два раза превышала характеристики детектора с обычным кристаллом кремния.

«Мы продемонстрировали практическую привлекательность предложенной технологии на примере базового оптоэлектронного устройства — кремниевого фотодетектора. Использованный нами подход к обработке монокристаллов легко масштабируем и прост в настройке, поэтому изготовленный фотодетектор можно будет использовать в волоконно-оптических линиях связи, которые составляют основу проводных интернет-сетей. В дальнейшем мы планируем подробнее исследовать, как различная мощность лазерного излучения влияет на структуру поверхности монокристаллов кремния», — подводит итог руководитель группы исследователей из Владивостока, Александр Кучмижак, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прецизионных оптических методов измерений Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН (Самара), Исследовательского института CIC nanoGUNE (Испания) и Университета прикладных наук в Мюнстере (Германия). 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РНФ осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 21:01
Татьяна

Органические молекулы с пи-связью образуют очень устойчивые геометрии, которые не любят нарушаться. В 1924 году немецкий химик Юлиус Бредт сформулировал соответствующий запрет, вошедший в учебники химии. Тем не менее это в некоторых случаях возможно. В новой работе американские исследователи представили несколько «антибредтовских» соединений из класса олефинов.

Позавчера, 14:37
Березин Александр

До сих пор астрономы испытывали сомнения в возможности наличия на этом спутнике Урана жидкой воды: при диаметре в 471 километр и температуре поверхности на уровне жидкого азота Миранда казалась слишком маленькой для длительного существования подледного океана.

Позавчера, 08:53
Evgenia

Бразильский ученый и преподаватель показал, как применить физические законы и математический аппарат для понятных студентам ежедневных задач. Он рассчитал и обосновал идеальную форму пивного бокала.

30 октября
Елизавета Александрова

Под рыжим верхним слоем с виду обычного камня открылся целый калейдоскоп довольно неожиданных оттенков. Это особенно интересно с учетом того, где лежит камень — в марсианском кратере, который по всем признакам когда-то был озером.

Позавчера, 21:01
Татьяна

Органические молекулы с пи-связью образуют очень устойчивые геометрии, которые не любят нарушаться. В 1924 году немецкий химик Юлиус Бредт сформулировал соответствующий запрет, вошедший в учебники химии. Тем не менее это в некоторых случаях возможно. В новой работе американские исследователи представили несколько «антибредтовских» соединений из класса олефинов.

Позавчера, 08:53
Evgenia

Бразильский ученый и преподаватель показал, как применить физические законы и математический аппарат для понятных студентам ежедневных задач. Он рассчитал и обосновал идеальную форму пивного бокала.

14 октября
Алиса Гаджиева

Полторы тысячи лет назад климат в Северном полушарии резко изменился. В Дании так похолодало, что там стало невозможно заниматься сельским хозяйством. Авторы нового исследования считают, что именно этот период был прообразом Фимбульвинтера — зимы, предшествующей Рагнарёку.

30 октября
Елизавета Александрова

Под рыжим верхним слоем с виду обычного камня открылся целый калейдоскоп довольно неожиданных оттенков. Это особенно интересно с учетом того, где лежит камень — в марсианском кратере, который по всем признакам когда-то был озером.

15 октября
Татьяна

Сейчас Япония привлекает людей со всего мира, но так было не всегда. На протяжение десяти тысяч лет архипелаг оставался изолированным от остального мира, пока туда не начали прибывать первые «мигранты» с континента. Это показал генетический анализ останков человека эпохи Яёй.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно