Технология детектирования в длинноволновой инфракрасной области обладает ключевой прикладной значимостью в военной, медицинской и промышленной сферах безопасности. Диапазон её спектрального диапазона хорошо совпадает с пиком теплового излучения объектов комнатной температуры, что делает её важнейшим элементом для реализации неохлаждаемой тепловизионной технологии. В настоящее время оксид ванадия и аморфный кремний, обладающие высокими значениями температурного коэффициента сопротивления и регулируемым удельным сопротивлением, стали основными термочувствительными материалами для неохлаждаемых инфракрасных фокальных плоскостных матриц. Тем не менее научное сообщество продолжает искать более высокоэффективные альтернативы. Диселенид палладия (PdSe₂), как перспективный двумерный полупроводник с настраиваемой шириной запрещённой зоны в зависимости от числа слоёв, обладающий исключительной химической стабильностью и хорошей совместимостью с низкопотребляющими технологическими процессами CMOS на этапе конечной обработки, рассматривается как идеальная платформа для разработки высокопроизводительных и недорогих инфракрасных детекторов следующего поколения.

Несмотря на огромный потенциал диселенида палладия, его практическое применение по‑прежнему сталкивается с серьёзными компромиссами между характеристиками. Ультратонкие плёнки PdSe₂, обладая высоким температурным коэффициентом сопротивления (TCR), крайне чувствительны к адсорбции окружающих газов; при этом увеличение толщины повышает стабильность, но одновременно приводит к резкому снижению TCR, что ограничивает термочувствительность устройства. Кроме того, хотя введение таких структур, как наночастицы золота, может усиливать инфракрасное поглощение за счёт фототермических эффектов, традиционные физические методы обработки оказываются дорогостоящими, а химические подходы часто вызывают загрязнение поверхности. Таким образом, вопрос о том, как разрешить противоречие между толщиной и чувствительностью, сохраняя целостность материала и обеспечивая масштабируемость производства, превратился в ключевой технологический узкий место в данной области — и именно это является основной мотивацией исследований по оптимизации фототермоэлектрических свойств двумерных материалов с помощью стратегий модификации «in situ».

Для решения указанных выше задач команда из Университета электронных наук и технологий Китая и других учреждений провела систематические исследования с использованием безмасочного выравнивателя DMD компании ZEPTOOLS. Разработав стратегию модификации наночастиц золота непосредственно на подложке, сочетающую магнетронное совместное распыление и процесс селенирования при низких температурах, команда успешно преодолела присущий трудности компромисс между характеристиками инфракрасного детектирования и толщиной сверхтонких пленок диселенида палладия.

Название: Многослойные пленки PdSe2 с наночастицами золота, расположенными in situ, для повышения чувствительности болометрической фотодетекции
Журнал: ACS Прикладные материалы и интерфейсы
URL: https:// doi.org/10.1021/acsami.6c02930

Для решения задачи компромисса между производительностью и характеристиками двумерных пленок диселенида палладия (PdSe₂) в инфракрасной детекции данное исследование предлагает масштабируемую стратегию высокой эффективности. Исследователи методом магнетронного совместного распыления нанесли предшественники сплава Au–Pd на подложки из SiO₂, после чего провели термическую селенизацию при низкой температуре — 300 °C. Это привело к реакционно‑ускоренной фазовой трансформации, в результате которой в многослойных пленках PdSe₂ произошло in situ‑образование равномерно распределённых наночастиц золота. Такая стратегия in situ‑модификации не только позволяет эффективно контролировать концентрацию легирующих частиц Au, но и исключает высокие затраты традиционных методов физического структурирования, а также потенциальное загрязнение поверхности, характерное для химических растворных подходов. Она закладывает материалозначительную основу для получения сверхтонких термочувствительных пленок толщиной менее 15 нм, обладающих высокой химической стабильностью.

В процессе изготовления высокопроизводительных инфракрасных детекторов точность структурирования непосредственно определяет однородность и качество отклика элементов детектирования. При подготовке подвесных мембран из SiNₓ для измерения поглощения инфракрасного излучения и последующей сложной обработке массива исследовательская группа с высокой точностью использовала безмасочную систему выравнивания ZEPTOOLS DMD для формирования цепей и создания окон. Благодаря крайне гибкому цифровому экспонированию этот прибор последовательно выполнил задание каналов в покрытиях, модифицированных наночастицами золота, структурирование рядовых электродов, а также выравнивающую обработку многослойных изоляционных диэлектриков на кремниевой пластине, обеспечив сохранение структурной целостности устройств на микрометровом масштабе. Благодаря поддержке структурирования, предоставляемой безмасочной системой выравнивания DMD, весь технологический процесс удалось строго ограничить температурой ниже 300 °C, что демонстрирует высокую совместимость данного технологического маршрута с конечным этапом технологического процесса (BEOL) стандартной КМОП‑технологии.

Путём электрической характеристики тонких пленок с различными концентрациями легирования золотом было установлено, что температурный коэффициент сопротивления (TCR) проявляет немонотонное изменение и достигает оптимального значения −2,28 %·К⁻¹ при концентрации золота 11 атомных процентов. Это явление можно объяснить моделью конкуренции между эффектами управления границами зерен и кулоновской экранировкой. Соответствующее количество наночастиц золота выступает в качестве ингибитора зародышевого роста во время селенизации, существенно уменьшая размер зерен PdSe₂. Увеличение плотности границ зерен усиливает рассеяние носителей заряда, что приводит к повышению эффективной высоты барьера Шоттки. Однако при слишком высокой концентрации наночастиц золота, когда они сближаются друг с другом, проводящая природа золота создаёт выраженный электростатический эффект экранирования, который снижает высоту барьера на границах зерен и, как следствие, снова приводит к уменьшению TCR.

На основе оптимизированной материальной системы исследовательская группа успешно изготовила инфракрасные детекторы с высоким тепловым разрешением, достигнув температурного разрешения до 11,8 мК и продемонстрировав превосходную тепловую чувствительность. При инфракрасном излучении с длиной волны 9,3 мкм устройство с легированием золотом на уровне 34 атомных процента обеспечило высокую чувствительность — 2,9 А/Вт — и показатель обнаруживаемости 5,1 × 10⁸ Джонсов, что значительно превосходит характеристики нелегированных чистых пленок. Наконец, используя интегрированную фокальную плоскость размером 8 × 8 пикселей, команда успешно получила термографические изображения высокой четкости при комнатной температуре и без охлаждения. Это не только подтверждает огромный потенциал тонких пленок PdSe₂, модифицированных наночастицами золота, для детектирования длинноволнового инфракрасного излучения, но и предоставляет техническую основу для разработки следующего поколения недорогих интегрированных систем тепловидения.

Серия ZML компании ZEPTOOLS представляет собой маско‑безмасочную систему выравнивания на основе DMD‑чипа, которая заменяет традиционные фотомаски. Она обеспечивает быстрое и гибкое проектирование литографических рисунков, поддерживает двумерную литографию и литографию с 8‑битной градацией серого, а также способна удовлетворять любые требования к литографии в микронном масштабе. Широко применяется в таких областях, как MEMS и микрофлюидика.