Фотодетекторы являются ключевыми компонентами оптоэлектронных систем и широко применяются в сфере связи, визуализации и других областях. Среди них детекторы на основе кремния долгое время доминировали благодаря зрелой технологии и высокой экономической эффективности. Однако собственная ширина запрещённой зоны кремниевых материалов ограничивает диапазон их спектральной чувствительности, что затрудняет удовлетворение требований к широкополосному детектированию в современных перспективных технологиях. В последние годы особое внимание привлекают двумерные материалы с выдающимися оптоэлектронными свойствами; их слоистая структура по типу ван-дер-Ваальса обеспечивает бесшовную интеграцию с кремнием, формируя гибридно‑мерные гетеропереходы без ограничений, связанных с решёточной несовместимостью. Среди таких материалов дителлурид молибдена (MoTe₂), обладающий богатыми фазовыми переходами и настраиваемыми электронными свойствами, стал идеальным материалом для создания высокопроизводительных гетеропереходных фотодетекторов данного типа.

Хотя гетеропереходы дителлурида молибдена/кремния демонстрируют перспективные возможности детектирования, на данном этапе дальнейшее повышение их характеристик по‑прежнему сталкивается с серьёзными трудностями. Традиционные планарные устройства с плоской поверхностью в реальных приложениях приводят к значительным оптическим потерям, а высокая отражательная способность поверхности существенно ограничивает чувствительность и практическую ценность таких устройств. Для преодоления этого узкого места исследователи стремятся внедрять методы поверхностной инженерии, такие как пирамидальные текстурированные кремниевые подложки. Усиление поглощения света за счёт снижения отражательной способности благодаря эффекту ловушки света, создаваемому микроструктурами, стало ключевым направлением исследований, направленных на преодоление оптических потерь и создание высокоэффективных детекторов на основе ван-дер-ваальсовых гетеропереходов.

В ответ на указанные выше проблемы команда, состоящая из сотрудников Университета электронных наук и технологий Китая и других организаций, провела систематические исследования с использованием системы безмасочной литографии DMD компании ZEPTOOLS. , успешно создав в условиях in-situ высокопроизводительный гетеропереход фотодетектора на основе 1T′‑дителлурида молибдена и пирамидального кремния, основанный на эффекте улавливания света, обусловленном поверхностными микронанопирамидальными структурами, что позволило существенно снизить потери на оптическом отражении.

Название: Внутрикристаллическая подготовка смешанного ван-дер-ваальсового гетероперехода 1T'-MoTe2/пирамидальный кремний для высокопроизводительной фотодетекции
Журнал: Прикладные материалы сегодня
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1016/j.apmt.2026.103287

Исследовательская группа в первую очередь сосредоточилась на решении ключевых задач — получении высококачественных двумерных материалов и снижении потерь на отражение света на поверхности устройства. С помощью магнетронной распылительной технологии на подложку из диоксида кремния/кремния был нанесён тонкий слой, после чего в трубчатой печи была проведена точная теллуризация; таким образом, с использованием метода термического превращения «in situ» удалось успешно подготовить высококачественные тонкие плёнки 1T′‑дителлурида молибдена. Последующая морфологическая и структурная характеристика показала, что после реакции толщина плёнки значительно увеличилась — в 3,1 раза, а чёткие характерные пики в рамановском спектре полностью подтвердили её полное превращение в фазу 1T′‑дителлурида молибдена. Одновременно команда успешно сформировала на поверхности кремния микроскопические пирамидальные структуры со средним размером основания 2 мкм, используя анизотропный мокрый травильный процесс. Тесты спектров отражения и данные моделирования методом конечных разностей во временной области совместно подтвердили, что эта пирамидальная структура обладает выраженным эффектом улавливания света в широком диапазоне от 400 до 1600 нм, позволив снизить коэффициент отражения на длине волны 820 нм с 35% для плоской поверхности до примерно 15%, а также повысить степень поглощения света на 31%, тем самым обеспечив идеальную физическую структурную основу для создания высокоэффективных оптоэлектронных гетеропереходов.

После уточнения процесса подготовки высокопроизводительных материалов и структур вопросом следующего ключевого этапа стало достижение полного формирования высококачественных гетеропереходных устройств посредством прецизионной микро‑нанообработки. Исследовательская группа разработала и реализовала технологический процесс прецизионной обработки устройств на основе диоксида кремния и кремниевых подложек, при этом определение области основного гетероперехода строго зависело от высокоточной технологии нанесения рисунка. Команда использовала систему безмасочного литографирования на основе DMD, разработанную компанией ZEPTOOLS для цифрового литографического процесса, с высокой точностью формируя заданную область реакции целевого гетероперехода на подложке. После формирования рисунка была применена технология реактивного ионного травления для удаления слоя диоксида кремния в данной области, что позволило выявить кремниевую подложку. Для устройств с пирамидальными гетеропереходами, после проведения мокрого травления с целью создания пирамидальных микроструктур, команда вновь использовала реактивное ионное травление для удаления краевых мостиков из диоксида кремния — ключевой этап, обеспечивающий сохранение целостности тонкой пленки на последующих стадиях технологического процесса. Наконец, в сочетании с литографией и технологией термического испарения были успешно нанесены верхние электроды из хрома/золота по периферии области перехода, что завершило полный цикл изготовления высокопроизводительного фотодетекторного устройства.

После завершения конструирования устройства физическое качество контактной поверхности и внутренний механизм электрической выпрямительной функции стали ключевыми научными вопросами, на которых сосредоточились исследователи. Исследовательская группа провела систематическую оценку вольтамперных характеристик планарных и пирамидальных гетеропереходных устройств в тёмных условиях. Экспериментальные данные показали, что оба типа устройств демонстрируют исключительно высокие свойства односторонней проводимости и выпрямительного поведения: коэффициенты выпрямления достигают 4,3×10⁴ при положительном напряжении 5 В и 4,5×10⁴ при отрицательном напряжении 5 В. Такой высокий коэффициент выпрямления находится на уровне лучших достижений в данной области, что убедительно подтверждает чрезвычайно высокое качество конструкции интерфейса устройства. После специализированных испытаний, направленных на изучение контактных характеристик, полученные данные подтвердили, что указанный эффект выпрямления полностью обусловлен гетеропереходным интерфейсом, образованным дителлуридом молибдена и кремнием, а не контактными свойствами электродов. Анализ выделенных физических параметров интерфейса показал, что высоты барьера Шоттки для планарного и пирамидального устройств составляют соответственно 0,616 эВ и 0,612 эВ, а идеальные факторы — 3,6 и 2,9. Столь близкие и превосходные характеристики электрического барьера дополнительно свидетельствуют о том, что инженерия пирамидальной поверхности существенно повысила поглощение света, не ухудшая при этом исключительного качества интерфейса гетероперехода.

Конечной целью исследовательского проекта является комплексная оценка различных ключевых оптоэлектронных параметров детектирования устройства в реальных приложениях, а также его способности к массивной имиджинг‑регистрации. При освещении падающим светом с длиной волны 850 нанометров, благодаря поглощающему усилению, обусловленному микроскопической и наноскопической структурой захвата света, пирамидальное устройство достигло чувствительности до 451 миллиампер на ватт при длине волны 820 нанометров — это на 31% выше, чем у устройств с плоской поверхностью. Кроме того, устройство продемонстрировало чрезвычайно высокую чувствительность детектирования: удельная чувствительность в режиме самопитания при нулевом смещении достигла 7,80×10¹¹ Джонсов; оно также обладает сверхшироким линейным динамическим диапазоном — 162 децибела — и сверхбыстрой скоростью отклика — всего 4 микросекунды. Спектральные характеристики устройства успешно охватывают широкий диапазон от 400 до 1550 нанометров, причём после двухмесячного хранения на воздухе не наблюдалось заметного ухудшения характеристик, что подтверждает его превосходную долговременную стабильность. Для продвижения исследования к практическому применению команда дополнительно создала 8×8‑массив детекторов; каждый пиксельный элемент демонстрировал исключительно высокую однородность тока как в темноте, так и при освещении, а также успешно и наглядно восстановил изображение распределения тока по целевой букве с помощью специальной полой маски, что убедительно свидетельствует о его потенциале в системах высокопроизводительного широкополосного изображения следующего поколения.

Серия ZML от ZEPTOOLS представляет собой системы безмасочного литографирования на основе DMD‑чипов, которые заменяют традиционные маски, обеспечивая быстрое и гибкое проектирование литографических рисунков, поддерживают двумерную и 8‑битную градиентную литографию и удовлетворяют любые требования к литографии с разрешением в микрометрах; широко применяется в области МЭМС, микрофлюидики и других областях.