ES2909787T3 - Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos - Google Patents

Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos Download PDF

Info

Publication number
ES2909787T3
ES2909787T3 ES19306646T ES19306646T ES2909787T3 ES 2909787 T3 ES2909787 T3 ES 2909787T3 ES 19306646 T ES19306646 T ES 19306646T ES 19306646 T ES19306646 T ES 19306646T ES 2909787 T3 ES2909787 T3 ES 2909787T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
nanocolumns
nanometers
electrode
photoconductive
photoconductive transducer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES19306646T
Other languages
English (en)
Inventor
Christopher Bauerle
Jean-François Roux
Giorgos Georgiou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Universite Savoie Mont Blanc
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
Universite Savoie Mont Blanc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble, Universite Grenoble Alpes, Universite Savoie Mont Blanc filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Application granted granted Critical
Publication of ES2909787T3 publication Critical patent/ES2909787T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/09Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/125Composite devices with photosensitive elements and electroluminescent elements within one single body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022466Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022475Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of indium tin oxide [ITO]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/0304Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281Shape of the body
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0384Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including other non-monocrystalline materials, e.g. semiconductor particles embedded in an insulating material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/184Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1884Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

Transductor fotoconductor destinado a generar o detectar ondas en el dominio de las frecuencias de terahercios o en el dominio de los impulsos de picosegundos, en el que el transductor fotoconductor comprende una estruc- tura tridimensional que comprende un primer electrodo plano (E1), un segundo electrodo plano (E2) paralelo al primer electrodo plano y un conjunto de nanocolumnas (C) idénticas incrustadas en una capa de resistencia (R) situada entre los electrodos planos primero y segundo, estando hechas las nanocolumnas de un semiconductor III - V y comprendiendo la parte superior de cada nanocolumna un contacto metálico (CE) que está conectado eléctricamente al segundo electrodo, caracterizado porque la resistencia y el segundo electrodo plano son transparentes a una longitud de onda determinada en la región visible o en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético, la altura de las nanocolumnas así como el grosor de la resistencia oscilan entre 100 nanómetros y 400 nanómetros, la anchura de las nanocolumnas está entre 100 nanómetros y 400 nanómetros, la distancia entre dos nanocolumnas consecutivas está entre 300 nanómetros y 500 nanómetros.

Description

DESCRIPCIÓN
Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos
El campo de la invención es el campo de las fuentes para generar o para detectar radiaciones a muy altas frecuen­ cias y / o pulsos eléctricos de muy corta duración, del orden de un picosegundo o menores que un picosegundo. Una de las aplicaciones preferidas de la invención es el desarrollo de fuentes de terahercios de alta eficiencia.
La radiación de terahercios tiene varios campos de aplicación que están particularmente relacionados con su alto poder de penetración en la mayoría de los materiales. Por ejemplo, los campos de aplicación de esta invención pue­ den ser la seguridad, la detección, el control de calidad, las comunicaciones y las aplicaciones electrónicas que emplean nanotecnologías. Es posible utilizar estas fuentes a temperatura ambiente o a temperaturas criogénicas. El desarrollo de esta fuente de terahercios de alta eficiencia es una de las dificultades encontradas. Una posible técnica de producción consiste en convertir la radiación óptica generada por un láser de onda continua o pulsada en radiación de terahercios y / o pulsos eléctricos. Son posibles varios medios de transducción.
Uno de los medios más comunes es emplear un dispositivo optoelectrónico, conocido como interruptor fotoconduc­ tor. Este último puede generar radiación de terahercios de onda continua o pulsos eléctricos de picosegundos por medio del siguiente mecanismo.
Una fuente láser emite una radiación de onda continua o una radiación en forma de pulsos ultracortos. Los llamados ultracortos se refieren a pulsos con una duración inferior a 100 femtosegundos. La radiación proporcionada por la fuente láser se sitúa en la región visible o en el infrarrojo cercano del espectro electromagnético. La luz proporciona­ da por la fuente láser es absorbida por un material semiconductor, tal como el arseniuro de galio (GaAs) o el arseniuro de indio y galio (InGaAs). Por medio de la absorción óptica, se generan portadores de carga en el semiconduc­ tor que posteriormente son recogidos por los contactos metálicos denominados electrodos en la presente memoria descriptiva, creando de esta manera una señal eléctrica. En este caso, el proceso de generación de portadores de carga por medio de la absorción óptica se denominará fotogeneración.
La duración temporal y la frecuencia de esta señal dependen de la frecuencia y la duración de la luz proporcionada por la fuente láser. El rango dinámico muy alto del dispositivo optoelectrónico permite generar señales eléctricas en las bandas de frecuencia de gigahercios o terahercios.
El principal inconveniente de la tecnología existente es su baja eficiencia de conversión, que la hace inadecuada para aplicaciones que requieren una cierta potencia de terahercios o para sistemas y aplicaciones que deben operar en un entorno criogénico.
La eficiencia de conversión se define como la relación entre la potencia óptica entregada por la fuente láser y la potencia de terahercios entregada por el dispositivo optoelectrónico. Esta eficacia es el producto de dos factores. El primer factor está relacionado con la eficiencia de absorción de la luz láser por parte del semiconductor. La eficacia de la absorción es generalmente baja.
El segundo factor está relacionado con la eficiencia de recogida de los portadores de carga fotogenerados por los electrodos del dispositivo optoelectrónico. Esta eficiencia también es baja. Se han propuesto algunas soluciones técnicas para mejorar estos dos factores.
La publicación de Nezih T. Yardimci et al. titulada "High - Power Terahertz Generation Using Large - Area Plasmonic Photoconductive Emitters (Generación de Terahercios de Alta Energía usando Emisores Fotoconductores Plasmónicos de Gran Superficie)" publicada en IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 5, núm. 2, Marzo 2015 pag, 223 - 229 y la solicitud de patente WO2013 / 112608 titulada "Dispositivo fotoconductor con elec­ trodos plasmónicos", describen un dispositivo fotoconductor que comprende los siguientes componentes. Un sustra­ to semiconductor, un conjunto de antena y un conjunto fotoconductor que está formado por uno o más electrodos de contacto plasmónico situados en el sustrato semiconductor. Este conjunto fotoconductor está hecho de manera que mejore la eficiencia global del dispositivo fotoconductor aumentando la eficiencia de absorción del láser en las regio­ nes fotoabsorbentes del sustrato semiconductor a través de resonancias plasmónicas. Este dispositivo sólo mejora la eficacia de la absorción del láser.
La publicación de Shang - Hua Yang et al. titulada "7.5% Optical - to - Terahertz Conversion Efficiency Offered by Photoconductive Emitters With Three - Dimensional Plasmonic Contact Electrodes (Eficiencia de Conversión de Óptica a Terahercios 7,5% Ofrecida por Emisores Fotoconductores con Electrodos de Contacto Plásmónicos de Tres Dimensiones)", publicada en IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, Vol. 4, núm. 5, Sep­ tiembre 2014 pág..575 - 581 propone un dispositivo fotoconductor similar que comprende una matriz compuesta por filas paralelas de electrodos de contacto plasmónicos.
La publicación de Nezih Tolga Yardimci et al. titulada "A High - Power Broadband Terahertz Source Enabled by Three - Dimensional Light Confinement in a Plasmonic Nanocavity (Una Fuente de Terahercios de Banda Ancha de Alta Energía en una Nanocavidad Plasmónica)" publicada en Scientific Reports, 7(1), pag. 4166 describe un disposi­ tivo similar a los anteriores pero que comprende un reflector de Bragg distribuido adicional como parte del semicon­ ductor fotoabsorbente para facilitar un mayor aumento de la absorción del láser.
La publicación de Burford et al. titulada "Computational modeling of plasmonic thin - film terahertz photoconductive antennas" (Modelación Computacional de Antenas Fotoconductoras en Terahercios de Película Delgada) publicada en el Journal of the Optical Society of America B, 33(4), pag..748 - 759 describe un dispositivo fotoconductor que comprende una fina matriz plasmónica de nanodiscos colocados sobre los electrodos de contacto.
La publicación de Peytavit et al. titulada "Low - Temperature - Grown GaAs Photoconductor with High Dynamic Responsivity in the Millimeter Wave Range" (Fotoconductor de GaAs de Crecimiento a Baja Temperatura con Alta Responsividad Dinámica) publicada en Applied Physics Express 4 (2011) 104101 y la solicitud de patente francesa FR 2 949905 del mismo inventor y titulada "Photodétecteur, photomélangeur et leur application a la génération de rayonnement térahertz" (" Fotodetector, fotomezclador y su aplicación para generar radiación de terahercios") describen un fotodetector que comprende una capa de material fotoconductor capaz de absorber radiación láser óptica. La llamada capa fina, tiene un grosor menor que la longitud de absorción de la radiación láser dentro del material fotoabsorbente. El material fotoabsorbente se coloca entre dos electrodos. Un electrodo, llamado electrodo superior, que es al menos parcialmente transparente, y un electrodo, llamado electrodo inferior, que es reflectante. Los llamados electrodos inferior y superior forman una cavidad resonante para la radiación láser. Este fotodetector está acoplado a una antena para generar radiación de terahercios en el espacio libre. Este dispositivo, a diferencia de los que se han descrito más arriba, permite aumentar la eficiencia de conversión, al aumentar la eficiencia de recogida de los portadores de carga por los electrodos metálicos.
El documento US 2014 / 175283 A1 divulga un detector de terahercios que comprende una matriz unidimensional o bidimensional de placas hechas de un semiconductor polar en una matriz dieléctrica. En cada cara de una placa, la interfaz con la matriz dieléctrica soporta un polaritón de fonón de interfaz. Cada placa tiene un contacto eléctrico superior y otro inferior y forma una antena óptica, lo que permite el acoplamiento resonante del polaritón de fonón interfaz y una radiación incidente.
Ninguna de estas publicaciones permite que se pueda conseguir una alta eficiencia de absorción del láser así como una eficiencia satisfactoria de recogida de los portadores generados. Uno de los objetivos de la invención es mejorar significativamente estas dos eficiencias utilizando una estructura única y sencilla que combina las ventajas de un dispositivo de electrodos paralelos y de las estructuras plasmónicas / fotónicas.
Más concretamente, un objeto de la invención es un transductor fotoconductor destinado a generar o detectar ondas y señales en el dominio de la frecuencia de terahercios o en el dominio del pulso de picosegundos, de acuerdo con la reivindicación 1.
Las reivindicaciones dependientes 2 a 7 corresponden a una realización específica de un transductor fotoconductor de este tipo.
La invención también se refiere a un emisor de terahercios de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende un transductor fotoconductor de este tipo.
La invención también se refiere al uso de un transductor fotoconductor de este tipo para emitir y / o detectar ondas en el dominio de la frecuencia de terahercios.
• La invención también se refiere a un proceso de acuerdo con la reivindicación 11 para producir un transduc­ tor fotoconductor de este tipo.
Otras características, detalles y ventajas de la invención se harán evidentes con la lectura de la descripción, que se da con referencia a los dibujos adjuntos, que se dan a modo de ejemplo y muestran, respectivamente:
la figura 1 es una ilustración de una vista superior de la estructura de un transductor fotoconductor de acuerdo con la invención;
la figura 2 es una ilustración de una vista en perspectiva parcial de las nanocolumnas que comprenden el transductor fotoconductor de acuerdo con la invención;
la figura 3 es una ilustración de una vista en sección transversal de una nanocolumna de acuerdo con la in­ vención;
la figura 4 es una ilustración de una primera realización del transductor fotoconductor, empleado como fuente de radiación de terahercios;
la figura 5 es una ilustración de una segunda realización del transductor fotoconductor, empleado como fuente de radiación de terahercios;
la figura 6 es una ilustración de una tercera realización del transductor fotoconductor, empleado como re­ ceptor de la radiación de terahercios.
El transductor fotoconductor, de acuerdo con la invención, puede funcionar como emisor o como receptor de ondas en el dominio de la frecuencia de los terahercios o en el dominio de pulso de los picosegundos. Salvo algunos deta­ lles, la estructura utilizada para estas dos aplicaciones es la misma.
El transductor fotoconductor, de acuerdo con la invención, puede funcionar también como fuente de ondas de fre­ cuencia en THz o de señales eléctricas con duración de picosegundos para circuitos micro o nanoelectrónicos. El núcleo del transductor comprende una estructura que incluye, en este orden, los tres elementos siguientes:
• un primer electrodo plano,
• una capa de resistencia que comprende un conjunto incrustado de nanocolumnas idénticas colocadas per­ pendicularmente al plano definido por el primer electrodo. La distancia entre dos columnas adyacentes es constante,
• un segundo electrodo plano paralelo al primer electrodo plano.
El área de la estructura se encuentra entre 1 pm2 y 1000 pm2, dependiendo del uso del transductor.
La figura 1 muestra una vista superior de la agrupación de nanocolumnas C colocada sobre el primer electrodo E1. La figura 2 muestra una vista parcial en perspectiva de las nanocolumnas C del transductor fotoconductor de acuer­ do con la invención. En el caso de la figura 2, las columnas son de sección rectangular. La sección transversal de las columnas también puede ser circular o poligonal.
Cuando el transductor se utiliza como emisor, se utiliza en combinación con una fuente láser que emite a una longi­ tud de onda definida. Esta longitud de onda se sitúa generalmente en la región visible o en el infrarrojo cercano del espectro electromagnético. En este caso, ciertas características de la estructura dependen de esta longitud de onda. El primer electrodo está formado por un depósito conductor que puede ser de oro o titanio o plata o aluminio.
El segundo electrodo E2 debe ser transparente a la longitud de onda que se ha mencionado más arriba para que la radiación láser incidente penetre en la estructura. Con esta finalidad, el segundo electrodo puede formarse deposi­ tando una capa de óxido de indio - estaño, que es transparente entre 300 nanómetros y 1000 nanómetros.
El grosor del segundo electrodo E2 es específico para la longitud de onda que se ha mencionado más arriba y debe ser tal que forme un revestimiento antirreflectante para la longitud de onda particular.
Del mismo modo, la resistencia R también debe ser transparente a la longitud de onda de la fuente láser. Por ejem­ plo, es posible utilizar una fotorresistencia negativa, tal como la conocida como SU - 8, que se utiliza habitualmente en la fabricación de microsistemas de este tipo y de la que existen diversas variantes. Por supuesto, son posibles otros tipos de resistencias transparentes. La capa de resistencia tiene un grosor comprendido entre 100 nanómetros y 400 nanómetros.
La altura de las nanocolumnas es igual a la altura de la capa de resina. La anchura de las columnas y la distancia que separa dos columnas adyacentes se adaptan a la longitud de onda del láser y al índice de refracción de la resis­ tencia.
Al optimizar las dimensiones espaciales de las nanocolumnas con respecto a la dimensión espacial de la longitud de onda del láser, se maximiza la absorción de la luz láser, siendo éste el objetivo deseado. La longitud y la anchura de cada nanocolumna son tales que el láser es absorbido por la excitación de las resonancias plasmónicas en las su­ perficies superior e inferior de la estructura. Además, también se excitarán los modos fotónicos ópticos guiados, que se propagan a través de la capa heterogénea formada por la resistencia polimérica y por el conjunto de nanocolum­ nas. Además, también se excitará un modo de cavidad resonante dentro de la nanocolumna y en la dirección vertical entre los dos electrodos. La anchura de las columnas oscila entre 100 nanómetros y 400 nanómetros.
El paso de la matriz de las nanocolumnas, que corresponde a la distancia entre dos columnas sucesivas, es respon­ sable de la excitación de las resonancias fotónicas colectivas que se han descrito más arriba. Esto se debe a la disposición periódica de las nanocolumnas que difractan eficazmente la luz láser hacia el interior de la capa hetero­ génea. La distancia entre dos columnas está entre 300 nanómetros y 500 nanómetros. Combinando los efectos plasmónico y fotónico, es posible obtener una absorción superior al 95%.
El material de las columnas debe ser optimizado para obtener el mejor pulso en picosegundos posible. Por lo tanto, se deben utilizar materiales con tiempos de respuesta de portadores muy rápidos, es decir, con una dinámica de portadores muy rápida. Para dar un orden de magnitud, es preferible que este tiempo sea inferior a 10 picosegun­ dos. Las nanocolumnas están hechas de semiconductores III - V especialmente tratados, como el arseniuro de galio, el arseniuro de galio e indio o el fosfuro de indio.
Cada columna C lleva un contacto en el extremo superior que está hecho de un material conductor idéntico al del primer electrodo y que asegura la continuidad eléctrica con el segundo electrodo transparente.
La figura 3 muestra una vista en sección de una nanocolumna C de acuerdo con la invención. Está rodeado por una resistencia R. Comprende un contacto eléctrico CE. La resistencia R está situada entre los dos electrodos E1 y E2. La figura 4 muestra el transductor fotoconductor de acuerdo con la invención funcionando como fuente de radiación de terahercios. Comprende un láser L, que se ha representado simbólicamente con una flecha continua, que emite a una longitud de onda definida, siendo el segundo electrodo E2 transparente a la longitud de onda que se ha mencio­ nado más arriba. El láser está dispuesto para irradiar, a través del segundo electrodo E2, el conjunto de nanocolum­ nas C, que están incrustadas en la resistencia R, siendo referenciado la agrupación que se ha mencionado más arriba por R C en la figura 4.
La disposición de la estructura con el medio de conversión compuesto por la capa de resistencia y el conjunto de nanocolumnas colocadas entre los dos electrodos planos y paralelos, permite crear un campo eléctrico uniforme sometiendo los dos electrodos, E1 y E2, a una diferencia de potencial V de unos pocos voltios.
Debido a la muy pequeña distancia que separa los dos electrodos, esta diferencia de potencial es capaz de crear campos eléctricos muy fuertes. El orden de magnitud de estos campos es de 100 kV / cm. De acuerdo con la aplica­ ción, las tensiones aplicadas son de corriente continua o alterna.
El campo eléctrico creado acelera uniformemente los portadores de carga generados por la absorción de la radia­ ción láser. El campo eléctrico uniforme permite maximizar el número de portadores recogidos por los electrodos y de esta manera aumentar la señal generada. Por lo tanto, es esencial que la altura de las columnas sea pequeña, de modo que se minimice la distancia recorrida por estos portadores. La distancia mínima recorrida garantiza que los portadores no se pierdan por mecanismos de recombinación.
El transductor genera radiación de terahercios o señales eléctricas de picosegundos Rt. La Rt que se ha menciona­ do más arriba puede convertirse en una radiación de terahercios en el espacio libre con la ayuda de un elemento de antena o guiada a través de elementos de guía de ondas hacia los circuitos micro y nano electrónicos, como se muestra en la figura 5. Las referencias de la figura 5 son idénticas a las de la figura 4. La duración, la intensidad y el ancho de banda de la frecuencia generada, dependen de la duración de la fuente láser, de su potencia, de su longi­ tud de onda y de la diferencia de potencial V aplicada entre los electrodos E1 y E2.
La figura 6 muestra el transductor fotoconductor de acuerdo con la invención funcionando como detector de radia­ ción de terahercios. La radiación de terahercios acelera los electrones, que fluyen entre los dos electrodos E1 y E2. Por ejemplo, el proceso para producir la estructura del transductor, de acuerdo con la invención, comprende los pasos que se describen a continuación.
paso 1: grabar el conjunto de columnas en un sustrato de semiconductores III - V, tal como el arseniuro de galio o el arseniuro de indio y galio o el fosfuro de indio;
paso 2: depositar una capa de metal en la superficie superior de las columnas y en la superficie inferior del sustrato que las soporta. Las capas metálicas constituirán los contactos metálicos. Esta operación puede llevarse a cabo a baja presión, es decir, a una presión inferior a 10'6 milibares y con una velocidad de eva­ poración lenta, siendo el orden de magnitud de la velocidad de evaporación de 0,5 nm / s. El metal deposi­ tado puede ser de oro, plata, aluminio o titanio. Es esencial, en esta operación, que no haya contacto entre la capa metálica inferior, que sirve como primer electrodo, y la capa metálica de la superficie superior de las nanocolumnas, que conecta con el segundo electrodo;
paso 3: Recubrir por rotación una capa de fotorresistencia epoxídica negativa, como la SU - 8, y cubrir completamente la matriz de nanocolumnas. El grosor depositado puede ser para la homogeneidad tres ve­ ces mayor que la altura de las nanocolumnas;
paso 4: exponer la capa de resina a un haz de electrones o a litografía UV;
paso 5: pulir o grabar la capa de resistencia hasta que aparezcan los contactos metálicos en la parte supe­ rior de las nanocolumnas;
paso 6: depositar una capa de metal transparente sobre la capa de resina para conectar los distintos con­ tactos metálicos. Esta capa puede ser de óxido de indio - estaño. El grosor de esta última capa oscila entre 100 nanómetros y 300 nanómetros, dependiendo de la longitud de onda de la fuente láser.
Lo que sigue son principales ventajas del transductor fotoconductor de acuerdo con la invención : Su estructura tridimensional permite obtener altas eficiencias, mucho más altas que las obtenidas con los dispositi­ vos de la técnica anterior. De este modo, se obtiene una mejora con un factor de 10 en la eficiencia con respecto a los transductores actuales.
Además, su estructura "vertical" compuesta por la matriz de nanocolumnas intercaladas entre dos electrodos permite optimizar aún más esta eficiencia.
Otra ventaja es que la misma estructura puede utilizarse como fuente de radiación de terahercios y como receptor de la misma radiación.
El transductor puede ser utilizado sobre el chip en circuitos micro y nanoelectrónicos.
Este transductor puede ser empleado en una amplia gama de aplicaciones que abarcan los campos de la seguridad, de la detección biológica o química, del control de calidad, de las telecomunicaciones, de la electrónica y de la electrónica cuántica.
Su arquitectura le permite funcionar a temperatura ambiente y a temperaturas criogénicas para aplicaciones de conmutación electrónica ultrarrápida. De esta manera, es posible utilizarlo en las tecnologías cuánticas. Es posible utilizarlo como fuente ultrarrápida para inspeccionar, disparar o conducir bits cuánticos para ordenadores cuánticos.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Transductor fotoconductor destinado a generar o detectar ondas en el dominio de las frecuencias de terahercios o en el dominio de los impulsos de picosegundos, en el que el transductor fotoconductor comprende una estruc­ tura tridimensional que comprende un primer electrodo plano (E1), un segundo electrodo plano (E2) paralelo al primer electrodo plano y un conjunto de nanocolumnas (C) idénticas incrustadas en una capa de resistencia (R) situada entre los electrodos planos primero y segundo, estando hechas las nanocolumnas de un semiconductor III - V y comprendiendo la parte superior de cada nanocolumna un contacto metálico (CE) que está conectado eléctricamente al segundo electrodo, caracterizado porque la resistencia y el segundo electrodo plano son transparentes a una longitud de onda determinada en la región visible o en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético, la altura de las nanocolumnas así como el grosor de la resistencia oscilan entre 100 nanómetros y 400 nanómetros, la anchura de las nanocolumnas está entre 100 nanómetros y 400 nanómetros, la distancia entre dos nanocolumnas consecutivas está entre 300 nanómetros y 500 nanómetros.
2. Transductor fotoconductor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la altura de las nanocolumnas es igual a la altura de la capa de resina, estando adaptadas la anchura de las nanocolumnas y la distancia que separa dos nanocolumnas adyacentes a la longitud de onda dada y al índice de refracción de la resina, y en el que la longi­ tud y la anchura de cada nanocolumna son tales que la iluminación del transductor fotoconductor por un láser a la longitud de onda dada a través del segundo electrodo planar excita modos fotónicos ópticos guiados que se propagan a través de la capa heterogénea formada por la resistencia polimérica y por el conjunto de nanoco­ lumnas; resonancias plasmónicas en las superficies superior e inferior de la estructura; y modos de cavidad re­ sonante en el interior de las nanocolumnas y en la dirección vertical entre los dos electrodos.
3. Transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en el que el área de la estructura tridimensional está comprendida entre 1 pm2 y 1000 pm2.
4. Transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el segundo electro­ do es de óxido de indio - estaño.
5. Transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la sección transver­ sal de las nanocolumnas es rectangular o circular o poligonal.
6. Transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material de las nanocolumnas es un semiconductor III - V elegido entre arseniuro de galio o arseniuro de indio - galio o fosfuro de indio.
7. Transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la resistencia es una fotorresistencia epoxi negativa.
8. Emisor de terahercios que comprende un transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores y un láser (L) que emite a la citada longitud de onda, estando dispuesto el láser para irradiar el con­ junto de columnas a través del mencionado segundo electrodo, y medios para establecer una diferencia de po­ tencial entre los electrodos primero y segundo.
9. Uso de un transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7 para emitir ondas en el dominio de la frecuencia de terahercios.
10. Uso de un transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7 para detectar ondas en el dominio de la frecuencia de terahercios.
11. Procedimiento para producir un transductor fotoconductor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la producción de la estructura tridimensional comprende los siguientes pasos:
- grabar la matriz de nanocolumnas (C) en un sustrato de semiconductor III - V;
- depositar una capa metálica (E1, CE) sobre la superficie superior de las nanocolumnas y sobre la superfi­ cie inferior del sustrato que soporta las nanocolumnas, estando compuesta de esta manera la parte supe­ rior de las nanocolumnas por un contacto metálico (CE);
- recubrir por centrifugado una capa de fotorresistencia epoxi negativa (R) para cubrir la mencionada matriz de nanocolumnas;
- exponer la capa de resina que se ha mencionado más arriba con un haz de electrones o con litografía UV; - pulir o grabar la capa de resistencia que se ha mencionado más arriba hasta que aparezcan los contactos metálicos (CE) en el extremo superior de las nanocolumnas;
- depositar una capa de metal transparente (E2) sobre la capa de resistencia para conectar los distintos contactos metálicos (CE).
ES19306646T 2019-12-13 2019-12-13 Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos Active ES2909787T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19306646.1A EP3836232B1 (en) 2019-12-13 2019-12-13 Three-dimensional photoconductive transducer for terahertz signals or picosecond electrical pulses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2909787T3 true ES2909787T3 (es) 2022-05-10

Family

ID=69411168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES19306646T Active ES2909787T3 (es) 2019-12-13 2019-12-13 Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230026900A1 (es)
EP (1) EP3836232B1 (es)
JP (1) JP2023505716A (es)
CN (1) CN115244716A (es)
ES (1) ES2909787T3 (es)
LT (1) LT3836232T (es)
WO (1) WO2021116339A1 (es)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2949905B1 (fr) 2009-09-09 2012-01-27 Centre Nat Rech Scient Photodetecteur, photomelangeur et leur application a la generation de rayonnement terahertz.
FR2971623B1 (fr) * 2011-02-14 2017-03-10 Centre Nat Rech Scient Cellule de detection terahertz
EP2807675B1 (en) 2012-01-23 2018-09-05 The Regents of The University of Michigan Photoconductive device with plasmonic electrodes
DE102014100350B4 (de) * 2013-01-15 2021-12-02 Electronics And Telecommunications Research Institute Photomischer mit photonischem Kristall vom Typ mit großflächiger Anordnung zum Erzeugen und Detektieren von Breitband-Terahertz-Wellen
US10680124B2 (en) * 2015-11-13 2020-06-09 Uvic Industry Partnerships Inc. Plasmon-enhanced below bandgap photoconductive terahertz generation and detection
CN108417976B (zh) * 2018-02-05 2020-05-26 天津大学 砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置及制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3836232B1 (en) 2022-01-12
WO2021116339A1 (en) 2021-06-17
JP2023505716A (ja) 2023-02-10
EP3836232A1 (en) 2021-06-16
CN115244716A (zh) 2022-10-25
US20230026900A1 (en) 2023-01-26
LT3836232T (lt) 2022-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yardimci et al. High-power terahertz generation using large-area plasmonic photoconductive emitters
US5894125A (en) Near field terahertz imaging
DE102006059573B3 (de) Anordnung zur Abstrahlung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung
CN108417976A (zh) 砷化镓纳米柱阵列太赫兹波发射装置及制造方法
EP2022246B1 (en) Electron emission device of high current density and high operational frequency
US10181544B2 (en) Photoconductive switch package configurations having a profiled resistive element
US9136421B2 (en) Wide area array type photonic crystal photomixer for generating and detecting broadband terahertz wave
Garufo et al. A connected array of coherent photoconductive pulsed sources to generate mW average power in the submillimeter wavelength band
Singh et al. Microlensless interdigitated photoconductive terahertz emitters
ES2909787T3 (es) Transductor fotoconductor tridimensional para señales de terahercios o pulsos eléctricos de picosegundos
WO2003014823A1 (en) Device for generating thz radiation
CN109557042B (zh) 基于半导体镀纳米介孔金属薄膜结构及太赫兹波增强系统
CN210957258U (zh) 一种太赫兹源装置
RU2351904C1 (ru) Фотоприемник
Yardimici et al. High power pulsed terahertz radiation from large area plasmonic photoconductive emitters
Mitrofanov et al. All-dielectric photoconductive metasurfaces for terahertz applications
US11749694B1 (en) Photoconductive metasurface-based ultrafast device
Yardimci et al. Terahertz radiation enhancement in large-area photoconductive sources by using plasmonic nanoantennas
Yardimci et al. Highly efficient photoconductive terahertz generation through photon trapping
Yardimci et al. 3.8 mW terahertz radiation generation through plasmonic nano-antenna arrays
Yardimci et al. Plasmonic nano-antenna arrays for high-sensitivity and broadband terahertz detection
JP3751423B2 (ja) 半導体素子
Yardimci et al. Telecommunication compatible terahertz emitters based on plasmonic nano-antenna arrays
Yardimci et al. High-power, broadband terahertz radiation from large area plasmonic photoconductive emitters operating at telecommunication optical wavelengths
Huska et al. Large-area sub-micron gap interdigitated THz emitters fabricated by interference lithography and angle evaporation