Новое поколение ИК-фотосенсоров на основе квантовых точек

Уже десятилетие в технике приборов фотоэлектроники отчетливо проявляется тенденция к использованию фотоприемных устройств, чувствительных в ИК-диапазоне, в которых была бы решена проблема повышения рабочей температуры, которые обеспечивали бы необходимую дальность обнаружения и распознавания. Развитие технологий открывает горизонты создания более совершенных, компактных, простых и дешевых ИК-сенсоров. Такие сенсоры нужны в гражданских оптико-электронных системах технического зрения в составе различных технологических линий, в приборах наблюдения в условиях плохой видимости, системах высокотемпературной термографии, спектрографах широкого применения. В этом году в Государственном научном центре РФ НПО «Орион» холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех в пленарной сессии «Современное состояние и перспективы развития фотоэлектроники» XXVII Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения будут рассмотрены актуальные задачи квантовой сенсорики и низкоразмерных структур. Почему же это направление науки и техники оказалось таким привлекательным?

Традиционный путь развития конструирования фотосенсорных приборов – совершенствование матричных ФПУ путем уменьшения шага фоточувствительных элементов, увеличения числа элементов до мегапиксельных форматов, использования сложных гетероэпитаксиальных структур. Но есть и другой путь создания ИК-сенсоров – использование новых физических принципов приема излучения, в том числе на основе низкоразмерных материалов. Одними из самых перспективных материалов для создания излучения в этом диапазоне сегодня считаются полупроводниковые квантовые точки (КТ).

Квантовые точки – это наноразмерные кристаллы, энергетический спектр которых принципиально отличается от объемного полупроводника. Массив квантовых точек характеризуется большим временем жизни неравновесных носителей заряда по сравнению с системами более высокой размерности. Энергетический спектр КТ дискретный и обладает возможностью вариаций длин волн поглощения и излучения в зависимости от размера, формы и состава КТ. К тому же в структурах с КТ из-за дискретности энергетического спектра уменьшается темновой ток. С уменьшением физических размеров КТ величина запрещенной зоны увеличивается, что в свою очередь накладывает ограничения на величину кванта энергии, которую квантовая точка способна поглотить или излучить.

Существует целый ряд методов синтеза полупроводниковых нанокристаллов: эпитаксия, коллоидный синтез, лазерная абляция, химическая самосборка, рост в мезофазе жидкокристаллических материалов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили две технологии получения КТ: метод коллоидного синтеза и эпитаксиальный метод (с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и с помощью МОС-гидридной (MOCVD) газофазной эпитаксии). Основные преимущества метода молекулярно-лучевой эпитаксии дают возможность резкой остановки и возобновления роста, а также точный контроль состава основного вещества и концентраций примесей. Среди квантовых детекторов сформировались две доминирующие ИК-системы – на основе InSb и HgCdTe, которые достаточно хорошо разработаны и доступны в коммерческих масштабах.

Современный метод коллоидного синтеза широко применяется для синтеза квантовых точек, покрытых оболочкой из широкозонного полупроводника (КТ типа ядро / оболочка, англ. core-shell). Коллоидные КТ изготавливаются легко масштабируемыми методами «мокрого» химического синтеза, их можно наносить на самые разные подложки: гибкие, большой площади, низкой стоимости.

Большинство коллоидных КТ изготовлено на основе халькогенидов свинца и предназначены для ближнего и коротковолнового ИК-диапазонов. Разработки таких детекторов для гибкой электроники и CMOS-технологий проявляют достаточно высокую воспроизводимость характеристик для систем на коллоидных квантовых точках PbS, PbSe, Bi2S3, In2S3.

Использование КТ на основе халькогенидов ртути позволяет продвинуться в средневолновый и даже в длинноволновый ИК-диапазоны. Но из-за фундаментальных физических ограничений интенсивность свечения квантовых точек резко снижается на больших длинах волн в ИК-диапазоне. На сегодняшний день перед инженерами и технологами стоят вопросы преодоления этого ограничения, например, с помощью создания специальных резонансных решеток из наноструктур путем прямой фемтосекундной лазерной печати.

Для понимания будущего нужны инструменты. Конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения предоставляет уникальный инструмент для понимания того, что является ключевым вопросом для дальнейшего прогресса квантовых детекторов. Если вы хотите понять, какие конструкции приборов подходят потребностям тех или иных видов техники фотосенсорики, то вам важно стать участником конференции. Для этого нужно просто пройти регистрацию на сайте конференции.

ИТОГИ РОССИЙСКОГО ФОРУМА «МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 2023»

Напомним, что 10-й юбилейный Российский форум «Микроэлектроника 2024» состоится с 23 по 28 сентября 2024 года на площадках Федеральной территории «Сириус» и Парка науки и искусства «Сириус» в Краснодарском крае и соберет ведущих отраслевых специалистов микро-, радиоэлектронной и смежных отраслей.

Организаторами форума «Микроэлектроника 2024» выступают АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс» при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Министерства науки и образования Российской Федерации, Группы компаний «Элемент». Генеральный партнер – Фонд перспективных исследований (ФПИ). Инновационный партнер – АО «ОКБ «Астрон». Партнеры – ООО «НПП «Итэлма», ООО «Остек-ЭК», АО «НИИ ТМ», Консорциум «Доверенные и экстремальные электронные системы» (НИЯУ МИФИ – АО «ЭНПО СПЭЛС»). Генеральный информационный партнер – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА». Оператор Форума – Агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции».

Подписывайтесь на официальный телеграм-канал форума «Микроэлектроника» и социальную сеть «В контакте»