RU2795842C1

RU2795842C1 - Method for manufacturing photosensitive structures based on two-dimensional bismuth telluride nanoparticles

Info

Publication number: RU2795842C1
Application number: RU2023100192A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Лаврентьев; Андрей Евгеньевич Мирофянченко; Екатерина Васильевна Мирофянченко; Виктор Сергеевич Попов
Original assignee: Акционерное общество "НПО "Орион"
Filing date: 2023-01-09
Publication date: 2023-05-12

Abstract

FILTER: semiconductor technology.

SUBSTANCE: invention is related to the technology of manufacturing semiconductor photodetectors and can be used to create resistive single-element photodetectors for various purposes. A method for manufacturing photosensitive structures based on two-dimensional bismuth telluride nanoparticles consists of depositing a layer of two-dimensional bismuth telluride nanoparticles on a substrate of oxidized silicon with interdigital contacts, made by liquid exfoliation using the “Spin-coating” method, which is dried at a temperature of 60°C for 4 hours.

EFFECT: invention makes it possible to create a photosensitive resistive structure with a photoresponse in the near and middle infrared ranges that does not require cooling systems, which is necessary for operation of the photosensitive element at an ambient temperature in the range from -30 to +30°C.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания резистивных одноэлементных фотоприемников различного назначения.The invention relates to the technology of manufacturing semiconductor photodetectors and can be used to create resistive single-element photodetectors for various purposes.

Целью данного изобретения является разработка способа создания фоторезистора, который имеет фотоотклик в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, работающий при комнатной температуре без систем охлаждения фоточувствительной области.The purpose of this invention is to develop a method for creating a photoresistor that has a photoresponse in the near and mid-infrared range, operating at room temperature without cooling systems for the photosensitive area.

Изобретение позволяет обеспечить формирование фоторезистивной структуры на подложке из оксидированного кремния с нанесенными на нее встречно штыревыми проводящими золотыми контактами путем нанесения двумерных наночастиц теллурида висмута, полученных жидкофазной эксфолиацией фиг. 1. Фоторезистивная структура не требует охлаждения для обеспечения фотоотклика в области ближнего и среднего инфракрасного излучения.EFFECT: invention makes it possible to ensure the formation of a photoresistive structure on an oxidized silicon substrate with interdigitated conductive gold contacts deposited on it by depositing two-dimensional bismuth telluride nanoparticles obtained by liquid-phase exfoliation of FIG. 1. The photoresistive structure does not require cooling to ensure photoresponse in the near and mid-infrared region.

Известен способ изготовления фоточувствительной структуры на основе двумерного теллурида висмута при помощи метода химического осаждения из газовой фазы [Liu, J.L., et al. "High performance visible photodetectors based on thin two-dimensional Bi2Te3 nanoplates." Journal of Alloys and Compounds 798 (2019): 656-664.]. Данный способ обеспечивает создание фотодиода с высокими показателями фотоотклика на источник излучения длинной волны 640 нм дающий плотность излучения в 106 мВ/см². Высокий фотоотклик обеспечивается за счет выращивания одиночного нанолиста теллурида висмута на подложке и дальнейшего осаждения на него металлических контактов, что дает высокую однородность поверхности, а также высокую подвижность носителей зарядов. Однако формирование одиночного нанолиста толщиной 20 нм методом химического осаждения из газовой фазы не позволяет получить фоточувствительные слои, имеющие широкий спектральный диапазон, в связи с дискретностью энергетических уровней нанолиста с равномерными толщинами.A known method of manufacturing a photosensitive structure based on two-dimensional bismuth telluride using the method of chemical vapor deposition [Liu, JL, et al. "High performance visible photodetectors based on thin two-dimensional Bi2Te3 nanoplates." Journal of Alloys and Compounds 798 (2019): 656-664]. This method provides the creation of a photodiode with high rates of photoresponse to a radiation source with a long wave of 640 nm, giving a radiation density of 106 mV/cm ² . A high photoresponse is ensured by growing a single bismuth telluride nanosheet on a substrate and further deposition of metal contacts on it, which gives a high surface uniformity, as well as high charge carrier mobility. However, the formation of a single nanosheet with a thickness of 20 nm by chemical vapor deposition does not make it possible to obtain photosensitive layers with a wide spectral range, due to the discreteness of the energy levels of a nanosheet with uniform thicknesses.

Известен способ изготовления фоточувствительной структуры с варьируемой шириной запрещенной зоны на основе комбинаций различных двумерных материалов [US 10096735 В2]. Недостатком данного способа изготовления является невозможность получения широкой спектральной характеристики фоточувствительных слоев.A known method of manufacturing a photosensitive structure with a variable band gap based on combinations of different two-dimensional materials [US 10096735 B2]. The disadvantage of this manufacturing method is the impossibility of obtaining a broad spectral characteristic of the photosensitive layers.

Задачей изобретения является создание фоточувствительной резистивной структуры, имеющей фотоотклик в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, не требующей систем охлаждения, что необходимо для работы фоточувствительного элемента при температуре окружающей среды в диапазоне от -30 до +30°С.The objective of the invention is to create a photosensitive resistive structure with a photoresponse in the near and mid-infrared range, which does not require cooling systems, which is necessary for the operation of the photosensitive element at an ambient temperature in the range from -30 to +30°C.

Задача решается за счет того, что фоточувствительная структура на основе двумерных наночастиц Bi₂Te₃ с латеральными размерами от 50 нм до 450 нм, наносится методом «spin-coating», на подложку из оксидированного кремния со встречно-штыревыми контактами. Полученная в результате этого фоточувствительная структура имеет толщину 2800±10 нм и проводимость 0,38 См.The problem is solved due to the fact that a photosensitive structure based on two-dimensional Bi ₂ Te ₃ nanoparticles with lateral sizes from 50 nm to 450 nm is deposited by the spin-coating method on an oxidized silicon substrate with interdigital contacts. The resulting photosensitive structure has a thickness of 2800 ± 10 nm and a conductivity of 0.38 Sm.

Сущность изобретения поясним на примере изготовления фоточувствительной структуры на основе двумерного теллурида висмута. Для получения фоточувствительной структуры используется навеска крупнокристаллического теллурида висмута с размером частиц не более 160 мкм. Навеска подвергается термической обработке в сушильной камере при температуре 60°С в течении 4 часов.The essence of the invention will be explained by the example of the manufacture of a photosensitive structure based on two-dimensional bismuth telluride. To obtain a photosensitive structure, a sample of coarse-grained bismuth telluride with a particle size of not more than 160 μm is used. The sample is subjected to heat treatment in a drying chamber at a temperature of 60°C for 4 hours.

Для эксфолиации используется стандартная ультразвуковая ванна (640 Вт), время процесса составило 8 часов при температуре 30°С. Затем проводят центрифугирование, для удаления реагрегировавших наночастиц, в течении 10 мин и скорости 1500 об/мин. Полученную суспензию наносят методом «Spin-coating» на кремниевую подложку, покрытую оксидом кремния с нанесенными встречно-штыревыми контактами из термически распыленного золота в режиме: скорость вращения подложки 3000 об/мин в течении 1 минутыFor exfoliation, a standard ultrasonic bath (640 W) is used, the process time was 8 hours at a temperature of 30°C. Then, centrifugation is carried out to remove the reaggregated nanoparticles for 10 minutes and a speed of 1500 rpm. The resulting suspension is applied by the “Spin-coating” method onto a silicon substrate coated with silicon oxide with interdigitated contacts made of thermally sputtered gold in the following mode: the substrate rotation speed is 3000 rpm for 1 minute

Процесс нанесения повторяется 180 циклов для получения равномерного массива двумерных нанолистов теллурида висмута толщиной 2800±10 нм и проводимостью 0.38 См. В дальнейшем полученные элементы высушиваются при температуре 60°С в течении четырех часов.The deposition process is repeated for 180 cycles to obtain a uniform array of two-dimensional bismuth telluride nanosheets with a thickness of 2800 ± 10 nm and a conductivity of 0.38 cm. Subsequently, the resulting elements are dried at a temperature of 60°C for four hours.

Объемный слой двумерных наночастиц, обладает высокой сплошностью которая показана на снимке сканирующего электронного микроскопа фиг. 2.The bulk layer of two-dimensional nanoparticles has a high continuity, which is shown in the image of the scanning electron microscope in Fig. 2.

Толщина фоточувствительного слоя измеряется на атомно-силовом микроскопе и показана на фиг. 3.The thickness of the photosensitive layer is measured with an atomic force microscope and is shown in FIG. 3.

Техническим результатом данного способа изготовления фоточувствительных элементов на основе двумерного теллурида висмута является то, что нанесенный методом «Spin-coating» массив двумерных наночастиц теллурида висмута обладает достаточной толщиной для поглощения излучения с длинами волн до 6 мкм, при этом обладая возможностью изменения диапазона поглощения за счет изменения среднего размера двумерных наночастиц теллурида висмута, фиг. 4.The technical result of this method of manufacturing photosensitive elements based on two-dimensional bismuth telluride is that the array of two-dimensional bismuth telluride nanoparticles deposited by the "Spin-coating" method has sufficient thickness to absorb radiation with wavelengths up to 6 μm, while having the ability to change the absorption range due to changes in the average size of two-dimensional bismuth telluride nanoparticles, Fig. 4.

Показано, что сформированные фоточувствительные элементы обладают существенным фотооткликом в широком спектральном диапазоне от ближнего до среднего инфракрасного диапазона фиг. 5.It is shown that the formed photosensitive elements have a significant photoresponse in a wide spectral range from the near to mid-infrared range of FIG. 5.

Claims

A method for manufacturing photosensitive structures based on two-dimensional bismuth telluride nanoparticles, which consists in the fact that a layer of two-dimensional bismuth telluride nanoparticles is deposited on a substrate of oxidized silicon with interdigital contacts, characterized in that a three-dimensional layer of two-dimensional nanoparticles is formed by the "Spin-coating" method using suspensions of nanoparticles obtained by liquid exfoliation, and then the layer is dried at a temperature of 60°C for 4 hours.