Высококачественные алмазы расширяют возможности узкополосной и глубокой

Новая публикация от Оптоэлектронная наука; DOI 10.29026/oes.2023.230010 рассказывает о том, как высококачественные алмазы расширяют возможности узкополосного фотодетектирования в глубоком ультрафиолете.

По сравнению с традиционными широкополосными детекторами, узкополосные детекторы имеют более значительный спрос для применения в различных промышленных и передовых областях научных исследований из-за их возможностей точного спектрального разрешения. Обычно существует два метода достижения узкополосного обнаружения на определенных длинах волн. Первый метод предполагает объединение широкополосного фотодетектора с полосовыми фильтрами, что является простым и эффективным подходом, но ограничено наличием фильтров для определенных диапазонов длин волн. Второй метод предполагает разработку полупроводниковых структур для создания собственных узкополосных фотодетекторов без необходимости использования фильтров. Этот подход снижает сложность системы обнаружения по сравнению с первым методом и обеспечивает хорошее качество обнаружения/изображения, но предъявляет более высокие требования к конструкции материалов и устройств.

Собственные узкополосные фотодетекторы без фильтров набирают популярность в различных областях промышленности и научных исследований, а в последние годы успешно применяются в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Однако было мало сообщений об узкополосных фотодетекторах в диапазоне длин волн глубокого ультрафиолета (DUV), который очень востребован в таких областях, как оптическая связь, мониторинг окружающей среды, фотолитография и исследование космоса. Алмаз, как полупроводник со сверхширокой запрещенной зоной, обладает исключительными физическими и химическими свойствами, что делает его идеальным материалом для фотодетектирования в глубоком ультрафиолете. Хотя увеличение толщины образца является распространенным методом сужения сбора заряда в других материалах, он не подходит для алмаза. Большинство фотодетекторов на основе толстого монокристаллического алмаза обладают широкополосным откликом из-за высокой подвижности носителей в алмазе и эффектов захвата носителей. Следовательно, еще одним критическим параметром для настройки спектрального отклика является время жизни носителей, которое считается важным для достижения узкополосного фотодетектирования. Детальный анализ оптических и электрических свойств алмаза имеет решающее значение для достижения точной фотоманипуляции.

Три различных монокристаллических алмаза, изученные в статье, называются Diamond A, Diamond B и Diamond C, причем плотность их дислокаций последовательно увеличивается. Интересно, что устройства на основе Diamond A, B и C демонстрируют заметно разные формы своих спектров внешней квантовой эффективности (EQE) со значениями полной ширины на полувысоте (FWHM) 8 нм, 31 нм и 52 нм соответственно. Устройства на основе алмаза А, характеризующиеся низкой плотностью дислокаций, демонстрируют чрезвычайно узкополосный отклик с центром пика примерно при 228 нм. Эти устройства демонстрируют исключительно низкий темновой ток, высокую обнаруживаемость (10¹³ Джонс) и большой линейный динамический диапазон (LDR~118 дБ).

Рисунок 1(а) иллюстрирует ключевые физические процессы, происходящие во время фотодетектирования в алмазе А, включая оптическое возбуждение, релаксацию носителей, излучательную рекомбинацию и фотопроводимость в электрическом поле. На рис. 1(б) показан спектр поглощения алмаза А, подтверждающий его низкую плотность дефектных состояний. Анализ дифференциального спектра на вставке показал, что ширина запрещенной зоны алмаза А составляет примерно 5,486 эВ (с энергией связи экситона ~ 80 мэВ). На рис. 1(в) представлен спектр фотолюминесценции (ФЛ) алмаза А, возбуждаемой импульсом с длиной волны 193 нм, в котором наблюдается исключительно сильное излучение свободных экситонов, что указывает на то, что излучение экситонов является первичным процессом рекомбинации при оптическом возбуждении.

Изготовленный узкополосный детектор можно использовать для визуализации, чтобы различать различные источники света. На рис. 2(а) представлена ​​оптическая фотография эксимерной лампы 222 нм. На рис. 2(б) показано четкое изображение устройства с источником света (65×22 пикселей). Спектр излучения эксимерной лампы и EQE устройства показаны на рисунке 2 (c) с перекрывающимися областями. Доказано, что излучение с длиной волны 222 нм безвредно для организма человека, что делает его пригодным для дезинфекции поверхностей и лучевой терапии. Исследования, связанные с ртутной лампой низкого давления, представлены на рисунке 1(de), включая оптические фотографии и соответствующие изображения. Спектральные линии этой ртутной лампы низкого давления в основном состоят из 185 нм, 194 нм и 254 нм (рис. 2(f)), причем первые две генерируют в воздухе озон, представляющий опасность для здоровья, а последняя вызывает необратимый вред коже и глазам человека. Его обычно используют для бактерицидной дезинфекции помещений. Из-за лишь небольшого перекрытия между этими спектральными линиями и EQE изображение ртутной лампы невозможно. Эти результаты показывают, что изготовленный узкополосный детектор может эффективно различать два источника ультрафиолетового света.

Таким образом, заявленный фотодетектор на основе Diamond A может похвастаться самой короткой длиной волны обнаружения и самым узким пиком EQE на сегодняшний день. Его потенциальное применение было продемонстрировано с помощью предварительной визуализации. В будущем практические характеристики этого детектора могут быть улучшены за счет изготовления матричных устройств и оптимизации их структуры. С другой стороны, узкополосный отклик Diamond A отличает его от других бриллиантов, указывая на то, что тестирование спектрального отклика алмазов является возможным методом определения их качества.

# # # # # #

Команда профессора Чжэн Вэя из Университета Сунь Ятсена посвятила себя исследованиям в области обнаружения вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Исследовательская группа создала первую отечественную платформу для оптоэлектронных испытаний ВУФ (120–200 нм). Используя эту платформу, они проводят следующие исследования: 1. Анализ выращивания и тестирования широкозонных полупроводниковых кристаллических материалов, включая нитрид алюминия, нитрид бора, алмаз и оксид галлия. 2. Микрофотодетекторы ВУФ и камеры экстремального ультрафиолета.

Профессор Чжэн Вэй — доцент и доктор философии. научный руководитель Школы материаловедения и инженерии Университета Сунь Ятсена. Он получил докторскую степень. Он получил степень доктора оптической инженерии в Шэньчжэньском университете в июне 2014 года, а затем в июле того же года поступил в Университет Сунь Ятсена в качестве постдокторанта. В августе 2016 года ему было присвоено звание младшего научного сотрудника, а в ноябре 2018 года — доцента. Он является членом экспертной группы ключевого проекта «План 173» и руководил множеством проектов национального и провинциального уровня, в том числе проектов фундаментальных исследований национальной обороны. Программа (ранее известная как Национальная программа 973), Проект выдающейся молодежи провинции Гуандун, Национальный фонд естественных наук Китая и Инновационный фонд аэрокосмической науки и технологий. Кроме того, он активно участвовал в качестве основного члена в различных ключевых и крупных национальных проектах.

# # # # # #

Оптоэлектронная наука (OES) — рецензируемый междисциплинарный международный журнал открытого доступа, издаваемый Институтом оптики и электроники Китайской академии наук в качестве дочернего журнала Оптоэлектронные достижения (ОЭА, IF=9,682). OES стремится предоставить профессиональную платформу для содействия академическому обмену и ускорению инноваций. OES публикует статьи, обзоры и письма о фундаментальных открытиях в фундаментальной науке оптики и оптоэлектроники.

# # # # # #

Больше информации: https://www.oejournal.org/oes

Редакционная коллегия: https://www.oejournal.org/oes/editorialboard/list

OES доступен в журналах OE (https://www.oejournal.org/oes/archive)

Отправить OES можно с помощью ScholarOne (https://mc03.manuscriptcentral.com/oes)

CN 51-1800/О4

ISSN 2097-0382

Связаться с нами: [email protected]

Твиттер: @OptoElectronAdv (https://twitter.com/OptoElectronAdv?lang=en)

ВиЧат: OE_Журнал

# # # # # #

Цзя Л.М., Ченг Л., Чжэн В. 8-нм узкополосное фотодетектирование в алмазах. Оптоэлектронная наука 2, 230010 (2023). дои: 10.29026/oes.2023.230010