Способность широкополосных оптоэлектронных и электрических детекторов осуществлять регистрацию в диапазоне от видимого света (VIS) до коротковолнового инфракрасного излучения (SWIR) играет ключевую роль для следующего поколения оптоэлектронных систем, поскольку позволяет получать богатую оптическую информацию в различных спектральных областях. Традиционные полупроводниковые фотодиоды, основанные на одном материале — например, кремнии (Si), индий‑галлий‑арсениде (InGaAs) или индий‑сурьмяном соединении (InSb) — ограничены шириной запрещённой зоны соответствующего материала и поэтому трудно обеспечивают широкополосное детектирование. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи начали разрабатывать схемы создания гетеропереходов на основе сочетания кремния с полупроводниковыми материалами с узкой запрещённой зоной — такими как PbSe, Bi₂Te₃, графен и др. Подобные гетеропереходные детекторы объединяют зрелость кремниевой CMOS‑технологии с высокой абсорбционной способностью материалов с узкой запрещённой зоной, демонстрируя потенциал сверхширокополосного отклика — от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. Например, уже сообщалось о создании детекторов на основе гетеропереходов Si/PbS, Si/графен и других, чей спектральный диапазон может охватывать ближний инфракрасный и даже средний инфракрасный участки. Однако существующие технологии по‑прежнему сталкиваются с ключевыми проблемами: отсутствие внутреннего механизма усиления приводит к низкой чувствительности в инфракрасной области, а чрезмерно длинная длина диффузии носителей ограничивает скорость отклика.

Несмотря на достигнутый прогресс в широкополосном детектировании с использованием кремниевых гетероструктурных фотодетекторов, их характеристики по‑прежнему ограничены свойствами фотогальванического перехода, не обеспечивающего усиления; это приводит к слабой чувствительности в области коротковолнового инфракрасного диапазона — как правило, на уровне микроампер на ватт — и к недостаточной спектральной однородности. Кроме того, большая длина диффузии носителей в объемном кремнии делает время отклика обычно превышающим несколько десятков микросекунд, что затрудняет использование таких устройств в высокоскоростных приложениях. Например, существующие Si/PbS‑гетероструктуры обладают коэффициентом чувствительности около 10 мА/Вт при длине волны 1550 нм, при этом время отклика остаётся значительным. Эти недостатки ограничивают практическое применение подобных детекторов в таких областях, как связь, визуализация и спектральный анализ. Поэтому разработка интегрированных кремниевых фотодетекторов, сочетающих высокую чувствительность, быстрый отклик и широкий спектральный диапазон, сегодня является одним из ключевых направлений исследований.

В связи с указанными выше ограничениями по характеристикам широкополосных оптоэлектронных детекторов соответствующая исследовательская группа Университета электронной науки и технологий провела углублённые исследования, используя безмасочную литографическую систему DMD компании «ZEPTOOLS». Они предложили гетеропереходный двойной режим фотодетектора Si/PbSe на основе подложки SOI, который за счёт переключаемого смещением двойного механизма (режим фотодиода и режим фотопроводимости) устраняет ограничения традиционных кремниевых гетеропереходов. Соответствующие результаты опубликованы в журнале IEEE под названием «Bias-Selectable Dual-Mode SOI/PbSe Heterojunction for Visible-to-Shortwave Infrared Photodetector», DOI: 10.1109/TED.2025.3559880.

В настоящем исследовании предложен гетеропереходный двойной фотодетектор Si/PbSe на основе подложки SOI, направленный на преодоление ограничений традиционных широкополосных фотодетекторов на кремниевой основе, таких как низкая чувствительность в инфракрасном диапазоне, медленная скорость отклика и недостаточная спектральная однородность. Команда исследователей, оптимизировав структуру устройства и механизм управления смещением, добилась высоких эксплуатационных характеристик в диапазоне от видимого света (VIS) до коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR), а также провела глубокий анализ соответствующих физических механизмов.

В области проектирования устройств в исследовании использовались подложка на основе кремниевого диэлектрика (SOI) и тонкие пленки PbSe, полученные методом магнетронного распыления, для формирования p‑типового PbSe/n‑типового Si гетероперехода. Подложка SOI эффективно подавляет долгосрочную диффузию носителей заряда в объемном кремнии, что повышает скорость отклика; при этом узкая ширина запрещённой зоны PbSe (0,78 эВ) расширяет спектральный диапазон детектирования до 1700 нм. Рентгеновская дифракция и энергодисперсионный анализ подтвердили высокое качество кристаллизации и однородность состава пленки PbSe, что закладывает основу для создания высокопроизводительных детекторов.

В плане оптоэлектрических характеристик устройство демонстрирует двумодовый режим работы с регулируемым смещением. При обратном смещении (–4 В) прибор функционирует в режиме фотодиода, обладая относительно низкой чувствительностью (520 нм: 4 мА/Вт, 1550 нм: 3 мкА/Вт), однако характеризуется чрезвычайно высокой скоростью отклика (450/390 нс). При прямом смещении (+4 В) устройство переходит в режим фотопроводимости; благодаря эффекту ловушек носителей возникает внутреннее усиление, что приводит к значительному повышению чувствительности (520 нм: 6 А/Вт, 1550 нм: 250 мА/Вт) при сохранении быстрого времени отклика (7/8 мкс). Такой двумодовый механизм позволяет детектору гибко переключать режимы работы в зависимости от требований конкретного применения.

С помощью фототоковой визуализации и анализа зонной структуры было выявлено устройство работы при различных смещениях. При обратном смещении фототок в основном обусловлен разделением фотогенерируемых носителей в области обеднения гетероперехода, что аналогично традиционным фотодиодам; тогда как при прямом смещении поведение устройства ближе к фотопроводящему детектору: фототок сосредоточен в области PbSe рядом с электродами, что свидетельствует о захвате носителей дефектными состояниями и их циклическом использовании, что приводит к усилению сигнала. Кроме того, установлено, что данный прибор обладает высокой однородностью отклика в широком спектральном диапазоне (350–1700 нм; отношение отклика в видимой и инфракрасной областях — R520 nm/R1550 nm — составляет всего 24, что значительно превосходит аналогичные устройства.

Данное исследование предлагает новые подходы к оптимизации характеристик широкополосных устройств на основе кремния, обладая особенно высоким потенциалом применения в таких областях, как высокоскоростная визуализация, спектральный анализ и оптическая связь. Благодаря сочетанию подложки SOI с полупроводниковыми материалами с узкой запрещённой зоной исследовательская группа успешно достигла баланса между высокой чувствительностью, быстротой отклика и широким спектральным диапазоном детектирования, что закладывает основу для развития следующего поколения интегрированных многофункциональных фотодетекторов.

Настольный литографический аппарат без маски компании «ZEPTOOLS» специально разработан для эффективной и высокоточной микро‑ и нанообработки. Устройство оснащено мощным светодиодным источником света с высокой однородностью и использует передовую технологию DLP, обеспечивая функцию экспозиции по желтому или зелёному свету — так что результат полностью соответствует видимому изображению, что значительно повышает удобство эксплуатации и управляемость технологического процесса. Уникальная оптическая схема и высокоточный линейный двигатель‑столик гарантируют исключительную точность экспозиции и стабильность повторного позиционирования; в сочетании с системой автоматической фокусировки по кадрам на основе ПЗС‑камеры это ещё больше улучшает качество изображения и стабильность технологических параметров. Аппарат поддерживает электрическое переключение объективов и активную лазерную фокусировку, позволяя гибко адаптироваться к требованиям различных применений. Компактный настольный форм‑фактор не только экономит пространство, но и облегчает развертывание в лабораторных и производственных условиях.