Геометрический дизайн контактов как новый подход к проектированию двумерных фотодетекторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-79-10081

НазваниеГеометрический дизайн контактов как новый подход к проектированию двумерных фотодетекторов

Руководитель Мыльников Дмитрий Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Фотодетектор, широкополосный, тепловизор, поляризация, дальний инфракрасный диапазон, телекоммуникации, двумерные материалы, графен, диселенид палладия, Шоттки барьер, искусственный интеллект, оптимизация

Код ГРНТИ45.57.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Детектирование электромагнитного излучения за пределами видимого диапазона, т.е. в инфракрасной (ИК) области, имеет важные приложения в задачах тепловидения, мониторинга состава атмосферы, высокоскоростной беспроводной связи и множестве других. Двумерные материалы, такие как графен и его многослойные модификации, халькогениды переходных металлов и их гетеропары уже продемонстрировали значительный потенциал в сфере детектирования ИК излучения. Он обеспечен высокой электронной подвижностью, а также низкой теплоемкостью носителей заряда в двумерных системах. Однако массовое производство таких фотодетекторов наталкивается на проблему создания двумерных p-n-переходов. Существующие подходы на основе химического легирования радикально снижают подвижность носителей и быстродействие, а подходы, основанные на «стыковке» разных двумерных слоев принципиально немасштабируемы и требуют ручной работы. Поэтому огромное значение для технологии двумерных фотодетекторов приобретает реализация конструкций фотодетекторов, не опирающихся на создание p-n-переходов. Данный проект будет посвящен новому принципу проектирования двумерных фотодетекторов, основанному на создании геометрически неэквивалентных металлических контактов. Рассеяние электромагнитной волны на неодинаковых контактах стока и истока приводит к различным локальным интенсивностям поля, что ведет к неодинаковым парциальным фототокам на двух переходах «металл - двумерная система». Таким образом, в двумерной системе с контактами формируется конечный фототок при нулевом напряжении смещения, что важно для практических приложений благодаря малой мощности электрических шумов. Генерация фототока в предлагаемых устройствах возникает на обязательно присутствующих контактах «металл-полупроводник». Доказательство работоспособности подобных устройств было представлено в недавней работе [1], выполненной руководителем в рамках проекта РНФ № 21-72-00078. Однако потенциал подобных фотодетекторов раскрыт далеко не полностью. Целью данного проекта является разработка высокочувствительных фотодетекторов ИК диапазона, способных различать интенсивность и поляризационное состояние излучения, многоконтактных фотодетекторов со спектральным разрешением и широкополосных детекторов для длин волн от единиц до десятков микрон с использованием нового масштабируемого подхода. При проектировании будут использовани методы многомерной оптимизации фотодетекторов по множеству всевозможных форм металлических контактов с привлечением технологий искусственного интеллекта для достижения предельно малых эквивалентных мощностей шума устройств в инфракрасном диапазоне. В случае успеха результаты проекта окажут значительное влияние как на технологию оптоэлектроники, так и на фундаментальную физику двумерных систем. Фундаментальная значимость проекта состоит в установлении основных физических механизмов, ответственных за генерацию фототока на контактах «металл – двумерный материал», и реализации теоретических моделей фототодетектирования, включающих как электродинамическое моделирование полей, так и гораздо более сложное моделирование транспорта в фотовозбужденной двумерной системе. С прикладной точки зрения, ожидается, что в разрабатываемых фотодетекторах будут совмещаться низкая эквивалентная мощность шумов (единицы пВт/Гц^0.5 в дальнем инфракрасном диапазоне), суб-наносекундное время отклика и возможность масштабируемого изготовления на чипе из пленок двумерных материалов. Важно, что предлагаемый метод геометрического дизайна контактов применим не только к двумерным материалам, но и к классическим двумерным электронным системам на основе квантовых ям (GaAs, CdHgTe) и инверсионных слоев. В связи с этим, полученные результаты будут применяться большим количеством российских научных групп и предприятий, занимающихся полупроводниковой оптоэлектроникой. [1] Semkin, et.al. Nano Lett. 23, 5250–5256 (2023) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01259.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде была построена квази-одномерная модель фотоотклика на контакте “металл-двумерный материал”, учитывающая генерацию электрон-дырочных пар, фото-термоэлектрический эффект и прямую передачу импульса поля электронам (фотонное увлечение). Модель основана на системе диффузионно-дрейфовых уравнений, включающих уравнения непрерывности с генерационным слагаемым, обобщенный закон Ома с учетом пондеромоторной силы, а также уравнение теплопроводности для электрон-дырочной подсистемы. Проведены теоретические оценки коэффициентов в уравнениях для различных двумерных материалов: монослойного и двуслойного графена, диселенида палладия. Оценены характерные времена рекомбинации и термализации носителей, а также длины диффузии, что позволило обосновать использование приближения единого квази-уровня Ферми и температуры для электронов и дырок в модели. Разработана физическая модель и программное обеспечение для расчета комбинации термоэлектрического эффекта и фотонного увлечения при произвольном пространственном распределении локального электромагнитного поля, получаемого из электромагнитных симуляций (CST Microwave Studio) или аналитических решений задачи дифракции. Выполнены модельные расчеты фото-термоэлектрического эффекта и фотонного увлечения на контактах при различных предположениях о распределении концентрации носителей и неоднородности поля. Показано, что термоэлектрический эффект доминирует над фотонным увлечением в дальнем ИК-диапазоне, а фотонное увлечение становится существенным лишь на низких частотах. Установлено, что для корректного количественного расчета фото-термоэлектрического эффекта необходимо учитывать сложный профиль концентрации носителей на барьере Шоттки, получаемый из решения уравнения Пуассона. Развиты двумерные модели фото-термоэлектрического эффекта, учитывающие пространственное распределение электромагнитного поля, температуры и концентрации носителей. Решения уравнений теплопроводности и непрерывности позволили получить пространственные карты фотоиндуцированного потенциала и фототока для структур с различной геометрией контактов. Разработаны вычислительные программы на Python и в среде Wolfram Mathematica для моделирования фотоотклика в приборах с двумерным и одномерным рисунком контактов соответственно. Изготовлены двух- и многоконтактные структуры “металл-двумерный материал” с использованием графена (инкапсулированного и CVD) и диселенида палладия. Для изготовления использованы методы механического отщепления, сухого трансфера, электронно-лучевой литографии, плазмохимического травления и напыления металлов (Cr/Au). Разработана и реализована технология формирования геометрически паттернированных контактов (в том числе с “пилообразным” профилем и массивом треугольных элементов), что позволило добиться высокого поляризационного контраста фототока. Сконструирован и изготовлен специализированный цифровой мультиплексор на твердотельных реле для измерения фототока и фотонапряжения в многоконтактных фотодетекторах. Проведена настройка вакуумного АСМ с зондом Кельвина для картирования поверхностного потенциала и определения параметров барьера Шоттки. Проведены фундаментальные исследования фотоотклика контактов “металл-графен” и “металл-диселенид палладия” на излучение в диапазоне 1–10 мкм. Получены пространственные карты фоточувствительности, измерены зависимости фотонапряжения и фототока от угла линейной поляризации и затворного напряжения. Для графеновых устройств обнаружен выраженный поляризационный контраст фотонапряжения (до 10 на прямолинейных контактах и до 200 на пилообразных), а также наличие поляризационно-независимой точки по концентрации носителей. Для устройств на PdSe2 подтверждена универсальность поляризационной зависимости фототока. Выполнено сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей фотонапряжения и фототока от поляризации и затворного напряжения для различных типов контактов. Показано, что разработанные модели корректно описывают наблюдаемые эффекты, включая смену знака фотонапряжения при изменении поляризации и наличие поляризационно-независимых точек. Верификация моделей позволила определить времена релаксации энергии и импульса носителей, согласующиеся с теоретическими оценками. Спроектированы, изготовлены и охарактеризованы четырехконтактные детекторы на основе графена с геометрически неэквивалентными контактами, способные к одновременному разрешению всех параметров Стокса падающего излучения. Проведено электродинамическое моделирование и экспериментальная проверка работоспособности таких детекторов. Показано, что изменение формы и симметрии контактов позволяет реализовать селективную чувствительность к линейной и циркулярной поляризациям света. Разработана программа для оптимизации электромагнитного поглощения в детекторах с произвольным геометрическим профилем контакта методом симулированного отжига. Показано, что оптимальные контакты обладают сложной пространственной структурой, обеспечивающей широкий диапазон рабочих длин волн и высокую эффективность поглощения. Результаты исследований опубликованы в ведущем международном журнале (Advanced Optical Materials, Q1), а также представлены в виде препринта на arXiv https://arxiv.org/abs/2505.06480 (статья находится на рецензии в Physical Review Applied) и нескольких пресс-релизов в СМИ (https://nauka.tass.ru/nauka/23919109) Выполненные работы обеспечили существенный прогресс в понимании и управлении фотооткликом на контактах “металл-двумерный материал”, а также заложили основу для создания новых функциональных ИК-детекторов с управляемыми характеристиками.

Публикации

1. Семкин В.А., Шабанов А.В., Капралов К.Н., Кащенко М.А., Соболев А.; Мазуренко И.М., Мыльцев В.Н., Мыльников Д.А., Никулин Е.И., Чернов А.И., Каменева Е., Бочаров А.Ю., Свинцов Д.А. Multifunctional 2D Infrared Photodetectors Enabled by Asymmetric Singular Metasurfaces Advanced Optical Materials, Advanced Optical Materials, 2403189 (2025) (год публикации - 2025)
10.1002/adom.202403189