KR20110136781A - 전자기 복사선을 검출하는 장치 및 방법 - Google Patents

전자기 복사선을 검출하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

특히 GHz 및 THz 범위에서 전자기 복사선에 대한, 고속 및 소형 검출 시스템은, 삽입된 단일 또는 다중 결함을 가지는 2D 전하 운반체 층 또는 쿼시 2D 전하 운반체 층을 포함하는 반도체 구조물, 전하 운반체 층에 대한 적어도 제 1 및 제 2 콘택트, 그리고 제 1 및 제 2 콘택트 사이의 광 기전력을 측정하기 위한 디바이스를 포함한다. 다양한 실시예에서 시스템 동작은 반도체 구조물 내의 플라스마 파의 공진 여기에 의존한다.

Description

전자기 복사선을 검출하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION}
최근에 기가-테라헤르츠(THz) 주파수 범위에 놓인 전자기파의 영역이 다양한 과학 및 기술 분야에서 증가하는 관심 대상이 되고 있다.
부분적으로, 이러한 관심은 고 주파수 컴퓨터 통신 채널 및 시스템에 대한 다가올 필요성에 의한 것이다. 또한, 생물학적 및 화학적 약품의 광범위한 유독성 분자가 THz 영역에서 공진 흡수 라인을 가지며, 이에 따라 예를 들면, 서로 다른 사람의 조직의 단층 촬영을 가능하게 한다. 또한, 특정한(화학적) 무기의 검출 및 노출이 이루어질 수 있다. 다른 잠재적인 응용예는 재료의 구조적 및 기타 결함의 검출, 음식 검사, 및 천문학적 목적을 포괄할 수 있다.
다음은 본 발명의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 설명이다. 이는, 본 발명의 구체적으로 지시하기 위해 본 명세서에 첨부된 청구항의 범위를 제한하지 않으나, 뒤따르는 세부적인 디자인 논점을 더욱 빠르게 이해하기 위해 본 발명이 속하는 분야의 기술자를 보조하기 위한 머리말로서 제공된다.
이하에 개시된 실시예는 새로운, 고속의, 휴대용, 소형 전자기 복사선 검출기를 제공하며, 이러한 검출기는 이차원(2D) 전차 운반체(전극 또는 홀) 층(내포된 결함을 가짐)을 포함하는 반도체 시스템에서 플라즈몬의 공진 여기(resonant excitation)에 근거한다. 검출기의 동작 주파수가 밀리미터/서브밀리미터 범위(1GHz 및 10THz) 사이의 주파수에 대응)에 놓인다. 이 디바이스는, 상기 층 또는 층들로 적어도 하나의 의도적으로 삽입된 결합 및 적어도 두 개의 전위 콘택트를 가지는 적어도 하나의 이차원 전하 층(charged layer)(전자 또는 홀)을 각각 포함하는 하나 이상의 반도체 구조물을 포함할 수 있다. "결함"은 2-차원 전하 층으로 삽입된 임의의 불균등성(inhomogeneity)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 결함은 다음의 형태, 식각된 영역, 제한 또는 팽창, 금속 커버리지, 불순물 도핑, 유전적 환경 결함, 구조적 결함 등으로 구현될 수 있다. 강한 이방성을 가지는 재료에서, 전하 운반체는 삼차원으로 이동하는 것이 허용될 수 있으나, 우세하게는 이차원으로 이동하고 따라서 "쿼시" 이차원 전차 운반체 층을 포함한다.
선택적으로, 이러한 디바이스는, 전하 운반체 층에 수직인 자기 필드를 인가하기 위한 장치 및/또는 전하 운반체 층의 전자 밀도를 조절하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 디바이스가 노출되는 복사선은 복사선에 의해 유발된 전압/전류를 측정함으로써 검출될 수 있다. 매트릭스 카메라는 자신의 작은 크기(보통 수 마이크로미터 정도) 및 이동하는 컴포넌트의 결여로 인해 개시된 기본 검출기에 근거하여 쉽게 생성될 수 있다.
측정 디바이스 또는 검출기의 출력 신호는 전자기 복사선의 존재 및 입사 전자기 복사선의 세기 중 적어도 하나에 관한 정보를 제공한다. 검출 시스템 실시예는 전자기 복사선의 존재 및 입사 전자기 복사선의 세기 중 적어도 하나의 공간 분포에 관한 정보를 주기 위한 검출기의 매트릭스를 포함할 수 있다.
이하에서 개시된 것과 같은 전자기 복사선을 검출하는 예시적인 방법은: 디바이스 상의 복사선의 방향을 지정하여 전자기 복사선의 존재시 플라스몬의 여기를 일으키는 단계; 플라스몬에 관련된 광 기전력 및 광전류의 측정에 의해 상기 플라스몬의 여기를 검출하는 단계; 및 전가기 복사선에 관하여 정보를 획득하기 위해 상기 측정의 결과를 형성/평가하는 단계를 포함한다.
이하에서 개시된 원리에 따른 예시적인 실시예의 동작은 다음의 특징을 추가로 포함한다:
1. 전위 프로브 및/또는 이차원 전하 층 및/또는 결정의 상부에 증착된 안테나 구조물에 연결되어, 이들에 교류 전위를 유발하는 입사 전자기 복사선.
2. 플라스마 파를 일으키고, 이차원 전차 층에 의해 형성된 공동에서 전파되는 교류 전위
3. 결함에 의해 부분적으로 반사되며, 적어도 두 개의 결함에 의해 형성된 공동 내에, 및/또는 적어도 하나의 전위 프로브 및 적어도 하나의 결함에 의해 형성된 공동 내에서 공진하는 플라스마 파. 이는 디바이스 내부에서 복합적으로 진동하는 전기장을 발생한다. 이러한 전기장의 진폭은 플라스몬의 파장에 대한 공동의 사이즈의 비율에 의해 결정되고, 이어서 자기장에 인가된 복사선 파장 및 디바이스의 운반체 밀도의 함수이다.
4. 디바이스의 비-선형 동작에 의해 정류되어 서로 다른 쌍의 전위 콘택트 사이의 dc 전압을 발생시키는 디바이스 내부의 진동하는 전기장. 비-선형 동작은 콘택트 및 전하층 사이의 전환의 비-선형 볼트/암페어 특성에 의해 및/또는 적어도 하나의 결함의 존재에 의해 유발될 수 있다. 측정된 신호의 진폭은 복사선의 세기에 대한 정보를 포함한다.
개시된, 예시적인 검출기 동작이 스트라이프를 가로질러 삽입된 결함 또는 일련의 결함들을 가지는 단부에서 두 개의 콘택트를 이용하여 스트라이프 형태로 제조된, GaAs/GaAs 양자우물 디바이스에 실현되었다. 광전효과가 200K에 이르는 온도에서 쉽게 검출가능한 신호를 생성하였다. 환경의 온도 또는 그 이상 높은 온도 에서 동작하는 실시예가 본 명세서에 설정된 원리에 따라 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 대한 성공적인 검출기 동작이 1GHz 에서 600 GHz에 이르는 주파수에서 검증되었다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 검출기의 측면도이다.
도 2는 도 1의 검출기의 상면도이다.
도 3은 선택적이 실시예의 측면도이다.
도 4는 도 3의 실시예의 상면도이다.
도 5는 선택적인 실시예의 측면도이다.
도 6은 도 5의 실시예의 상면도이다.
도 7은 선택적인 실시예의 측면도이다.
도 8은 도 7의 실시예의 상면도이다.
도 9는 헤테로 접합으로 형성된 전차 층을 포함하는 선택적인 실시예의 상면도이다.
도 10은 도 9의 실시예의 측면도이다.
도 11은 도 9 및 10에 따른 디바이스의 일 실시예에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 12는 제한 결함을 포함하는 선택적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 13은 도 12의 디바이스에 대한 상면도이다.
도 14는 식각된 영역 결함을 포함하는 선택적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 15는 도 14의 실시예에 대한 상면도이다.
도 16은 스텝 결함을 포함하는 선택적인 실시예를 나타내는 측면도이다.
도 17은 도 16의 실시예에 대한 상면도이다.
도 18는 두 개의 게이트 결함을 포함하는 선택적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 19는 도 18의 실시예에 대한 상면도이다.
도 20은 여섯 개의 게이트 결함을 포함하는 선택적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 21은 도 20의 일 실시예에 대한 상면도이다.
도 22는 삽입된 결함을 이용하는 선택적인 실시예에 대한 측면도이다.
도 23은 도 22의 실시예에 대한 상면도이다.
도 24는 도 10의 디바이스에 대한 예시적인 실시예에 대한 광 기전력 대 전자 밀도의 그래프이다.
도 25는 도 10의 디바이스에 대한 예시적인 실시예에 대한 혼합 측정(평준화된 응답 대 기가 헤르츠 단위의 주파수)를 나타내는 그래프이다.
도 26은 검출기 전압 대 자기장 세기의 그래프이다.
도 27은 검출기 전압 대 자기장 세기의 그래프이다.
도 28은 켈빈(K) 온도 단위의 검출기 신호 진폭 대 온도의 그래프이다.
도 29는 도 12 및 13의 디바이스에 대한 예시적인 실시예에 대한 검출기 전압 대 목 너비(neck width)의 그래프이다.
도 30은 도 14 및 15의 예시적인 실시예에 대한 검출기 전압 대 자기장의 그래프이다.
도 31은 도 18 및 도 19의 디바이스의 예시적인 디바이스에 대한 검출기 전압 대 자기장의 그래프이다.
도 32는 광 기전력 대 자기장의 그래프이다.
낮은 차원의 전자 시스템에서 프라스마 여기(플라스몬)와 같은 원소 여기 동작에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 관심의 원동력은 과학적 관심 및 밀리미터 및 서브밀리미터 복사선 검출 분야의 많은 잠재적 응용 양자로부터 비롯된다. 플라스몬은 차단된 불순물의 환경에 관하여 전한 밀도에서의 진동에 관련된 고체 내의 원소 여기이다. 이차원 전하 시스템 내의 플라스몬은 1976년에 액체 헬륨에서 최초로, 이후에 실리콘 역전층(1977) 및 GaAs 헤테로구조물(1979)에서 보고 및 관찰되었다. 장 파장 한계(
Figure pct00001
에서 이차원 플라스몬의 스펙트럼이 다음과 같이 스턴에 의해 1967년에 계산되었다.
Figure pct00002
여기서, q는 플라스몬의 파 벡터이고, ns 및 m*는 이차원 전자의 밀도 및 유효 질량이다. 진공의 유전율 및 주위 매질의 유효 유전율은 각각
Figure pct00003
및
Figure pct00004
로 지시된다. 이차원 플라스몬 스펙트럼은 두 가지 특징을 가진다:(i) 이는 갭이 없다는 것이다. 즉 q가 제로에 접근함에 따라 이차원 플라스몬 주파수가 제로로 접근한다. 그리고 (ii) 플라스몬 주파수가 식(1) 내의 유효 유전율
Figure pct00005
을 통해 이차원 전자 시스템의 바로 인접한 기하학적 및 유전 속성에 의해 교란된다. 예를 들어, 실리콘 MOS(메탈-옥사이드-반도체)에 대한 실제 케이스에서, 이차원 플라스몬 스펙트럼은 다음과 같다:
Figure pct00006
여기서,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
는 옥사이드 및 실리콘 층의 유효 유전율이고, d는 옥사이드 층의 두께이다. GaAs/AlGaAs 헤테로 접합 및 양자 우물에서 실험적으로 입증된 대부분의 케이스에 관하여,
Figure pct00009
이고 , 여기서
Figure pct00010
이며 GaAs의 유전 상수이다.
외부 수직 자기장을 도입시에, 식(1)은 더 이상 이차원 전자 시스템의 플라스몬 여기를 표현하지 않고 플라스몬 스펙트럼에 대한 변경이 발생하는 것이 제한된다. 자기장은 플라스마 파를 일으키고, 이는 자기장의 방향에 의해 정해지는 방향으로 에지를 따라 전파되며, 전자 시스템의 에지에 한정된다. 이러한 에지-마그네토플라스몬의 분산이, 샘플 전체에서 균일한 전도성 텐서(tensor) 및 샘플 에지에서 전도성에 갑작스런 저하를 가정한 상태에서, 볼코브 및 리카일로브에 의해 1998년에 계산되었다.
Figure pct00011
홀 전도성이
Figure pct00012
으로 지칭된다. 에지 마그네트플라스몬은 인가된 자기장 B이
Figure pct00013
조건을 만족하는 경우에 관찰가능하다. 여기서,
Figure pct00014
는 싸이클로트론 주파수이다.
전자기 복사선의 조정형 검출기의 실시예에 관하여, 특별한 디바이스 기하구조가 생성된다. 이러한 기하구조는 소정의 공간-플라스모닉 공동(plasmonic caivty)으로의 플라스몬 전파를 제한한다. 기하학적 공진기 길이가 L이 되는 경우에, 간섭에 의해, 파 번호
Figure pct00015
를 가지는 플라스마 파만이 여기된다. 플라스몬 주파수가 이전에 고련된 분산 법칙으로부터 쉽게 유도될 수 있다.
입사된 기가-테라헤르츠 복사선에 의해 유발된, 광전 효과가 다수의 디바이스 실시예에서 관찰되었다. 특히, 예시적이 실시예는 이차원 전자 및/또는 홀 시스템을 사용하고, 여기서 플라스마 파는 입사 복사선에 의해 여기된다. 간략히 하기 위해 , 전자 시스템이 이하에서 사용되나, 마찬가지로 이러한 결과가 홀 시스템에 적용된다는 것을 이해할 것이다. 디바이스 패밀리가 도 1-22에 개략적으로 도시된다.
도 1 및 2는 예시적인 실시예에 따라 예시적인 디바이스(11)를 도시한다. 이차원(2D) 전자 가스(13)가 기판(15)과 배리어 층(17) 사이의 인터페이스에 형성된다. 전자는 게이트(23)에서 전위로부터 발생된 전기장에 의해 인터페이스로 당겨진다. 대응하는 에너지 밴드 다이어그램(29)이 도 1의 우측에 도시된다. 여기서, Ef는 페르미 레벨을 나타내고, Ec 및 Ev는 각각 전도 및 밸런스 밴드의 경계를 나타낸다. 도 1 및 2의 디바이스(11)에서, 이차원 전자 가스(13)가 일 측에서 밴드 밴딩(전자 에너지 레벨의 밴딩(banding))에 기인하여 그리고 다른 측에서는 전도성 밴드 불연속성에 의해 형성된 삼각 전위 우물에 갇힌다.
디바이스(11)의 전자 시스템은 게이트 슬릿(27)에 의해 형성된 결함을 포함한다. 슬릿(27)의 폭은 다비아스 채널을 유지하기 위한 옥사이드 두께 정도이어야 한다. 디바이스(11)는 개별적인 콘택트(19, 21)의 각 단부에서 종단된다. 결합(27) 및 콘택트(19, 21)는 전자 시스템의 구역을 길이 L1 및 L2로 제한한다. 입사 복사선하에서, 이러한 구역은 게이트 전위 및/또는 자기장에 의해 조정된 공진 플라스마 공동으로 작용한다.
추가 실시예가 도 3-22에 도시된다. 이러한 실시예는 모두는 관련 결합의 수 및 유형 면에서 서로 다르다. 예를 들어, 도 3의 디바이스(31)는 스텝-형 결합(32)을 포함하나, 도 5의 디바이스(33)는 34에서 두 개의 스텝-형 결합을 포함하고, 길이 L1, L2 및L3의 세의 플라스몬 공동을 분리한다. 마지막으로 도 7의 디바이스(35)는 두 개의 슬릿-모양 결합(36, 37)을 포함한다.
도 9-11은 디바이스(41)가 헤테로 접합으로 형성된 전하 층(43)을 포함하는 선택적인 실시예를 도시한다. 디바이스(41)는. 기판(47), 이차원 전하 층(43), 및 두 개의 에지 콘택트(49, 51)를 포함한다. 나아가, 디바이스(41)는 단일 금속 게이트 결함(53)을 포함한다.
일 예로서, 디바이스(41) 내의 AlGaAs/GaAs 헤테로 접합의 케이스에 대해 에너지 밴드 다이어그램이 도 11에 도시된다. 이차원 전자 가스는 다른 밴드 갭을 가지는 재료 사이의 경계에 형성된 전위 우물에서 기원한다. 도 11에 도시된 것과 같이, 예시적인 디바이스 구조물은 GaAs의 초기 10 나노미터(nm) 구역; 델타 도핑을 가지는
Figure pct00016
; 전자 우물로서 Ga As의 18nm 구역;
Figure pct00017
및 GaAs의 "슈퍼래티스" 구역; 및 GaAs 기판의 후속 구역을 포함한다.
입사 기가-테라헤르츠 복사선에 의해 유도된 광전 효과가 다수의 디바이스 실시예에서 실험적으로 관찰되었다. 이 실험은 도 11에 도시된 것과 같이, 양자 우물 GaAs/AlGaAs 헤테로구조물(41) 상에 수행되었다. 검증된 제 1 디바이스 실시예는 도 24에 삽입되어 추가로 나타낸다. 디바이스는 단일 금속 게이트 결함(53)을 가지는 스트라이프 기하구조로 진행되는 이차원 전자 층(43)을 포함한다. 디바이스 기하구조는 다음과 같다. 스트라이프 너비 W(0.1mm 및 0.05mm) 및 전위 프로브(51)와 게이트(53) 사이의 다른 거리 "L"
Figure pct00018
. 스트라이프(43) 상의 다른 게이트 위치가 검사되었으나, 이러한 케이스는 디바이스 동작의 물리적인 이해에 그리 많이 기여하지 않는다. 디바이스 응답은 결함 및 두 개의 후속 콘택트에 의해 형성된 두 개의 공동으로부터의 신호의 조합이었다. 샘플 내의 전자의 밀도가 약
Figure pct00019
이고, 저온(4.2K) 이동도(mobility)는 약
Figure pct00020
이었다. 샘플이 특대의 16x8mm 도파관 또는 윈도우 뒤편의 광학 저온유지장치(cryostat)에 배치되었다. 저온유지장치의 경우에, 테라헤르츠 복사선이 쿼시-광학 반사기 및 렌즈를 이용하여 샘플에 집중되었다. 발전기가, 10 내지 0.1mW 범위의 출력 전력 레벨을 가지는 1GHz 내지 1THz 범위의 주파수를 커버한다.
도 24는 주파수 f=43GHz인 마이크로 파 조사 조건에서 게이트(53) 하부에 전자 밀도(n1)에 대한 디바이스 신호(mV)의 의존도를 나타낸다. 제로 자기장에서 수행된 실험에서, 전자 밀도(n1)는 게이트(53)에 저압을 인가함으로써 조절되었다. 디바이스(41)는 W=0.1mm 의 폭과 L=0.2mm의 거리를 가진다. 식(1)에 따르면, 주파수 43GHz에서, 제 1 플라스몬 모드가 게이트(53)와 전위 프로브(51) 사이에 형성된 공진 공동에서 여기된다는 것을 이해하여야 한다.
도 24로 돌아가면, 디바이스 응답은 게이트 결합(53)에 의해 형성된 경계 조건에 의해 상당히 연향을 받는다는 것을 알 수 있다. 검출기 신호 mV는
Figure pct00021
에서
Figure pct00022
로 n1을 변경함으로써 수천 번 상승한다. 실험 데이터에서, 디바이스 응답성 R 및 노이즈 등가 전력 NEP에 대한 예측이 200K의 동작 온도에서, 최종
Figure pct00023
을 이용하여 수행된다. 이러한 R 및 NEP의 값은 쇼트키 다이오드, 롤레이 셀, 파이로일렉트릭 검출기 및 마이크로볼로미터(microbolmeteR)와 같은 상업적 GHz-THz 검출기의 값들과 비교가능하다. 그러나 전술한 상업적 검출기와 비교하여, 개시된 플라스마 파 검출기는 훨씬 낮은 응답 시간(10ps에 이름)의 이점을 가진다. 예를 들어, 도 25는 게이트 결함(53)을 가지는 디바이스(41)에 대한 측정값을 혼합하기 위한 결과를 도시한다. 서로 다른 주파수를 가지는 두 개의 마이크로파 발전기로부터의 복사선이 혼합되고 디바이스를 향한다. 디바이스의 비-선형 응답에 기인하여, 출력 신호는 두 개의 발전기의 서로 다른 주파수에서 고조파를 포함한다. 도 25는 두 온도에서, 이러한 고조파 대 차동 주파수의 진폭을 나타낸다. 혼합 대역폭이 5 GHz가 되고, 이는 디바이스 응답 시간
Figure pct00024
에 대응한다.
플라스몬 공동의 공진 주파수는 의 전자 밀도를 변경함으로써 및/또는 외부 자기장을 인가함으로써(식(1)-식(3) 참조) 이미 조절되었을 수 있다. 도 26은 자기장(T)이 디바이스 신호(mV)에 어떻게 영향을 미치는 지를 디스플레이 한다. 결과적인 최대값은 공동 내의 q=(π/L)N(여기서, N=1, 2, ... 정수임)인, 다른 플라스몬 모드의 여기에 대응한다. 이러한 특징으로부터, 공동 크기는 공진 사이의 B-스페이싱에 크게 영향을 미치는 것이 분명하다. 이러한 특징은 플라스몬 공동에 대한 바로 그 개념을 확인한다. 식(3)에 따르면, 외부 자기장(B)의 플라스마 파의 분산은 다음의 형태를 가진다:
Figure pct00025
결과적 공진은 q=(π/L)N(여기서, N=1, 2, ... 정수임)인 플라스마 모드의 여기에 대응한다. 즉 식(3)과 결합하여, 인접 공진 사이의 공간에 대한 다음의 표현을 얻는다.
Figure pct00026
이러한 식은 도 26에서
Figure pct00027
및
Figure pct00028
사이의 관계를 설명한다. 성공적인 검출기 동작은 1GHz 내지 0.6GHz에 걸친 주파수에서 검증되었다. 도 27에서, 자기장 의존 검출기 신호가 다른 주파수에 대해 표현된다. 먼저, 도 27에서, 다른 크기를 가지는 플라스몬 공동이 다른 주파수 범위를 커버한다. 두번째로, 디바이스 동작 주파수가 높아질수록 필요한 플라스몬이 적어진다. 다음의 표는 다른 플라스몬 공동 크기(cavity size)
Figure pct00029
에 대한 실험적으로 획득된 인접 최대 작업 주파수(working frequency)
Figure pct00030
를 도시한다.
Figure pct00031
이 표는 복잡하고 고가의 서브-마이크론 기술을 필요로 하지 않고 테라헤르츠 주파수가 획득될 수 있다는 사실을 증명한다.
이전에 논의된 모든 실험이 4.2K의 온도에서 수행되었다. 서로 다른 크기를 가지는 공동에 대한 광전 효과의 온도 의존성이 도 28에 표현된다. 실험은
Figure pct00032
일 때 제로 자기장에서 수행되었다. 다른 L에 대한 플롯이 T=4.2에서 하나의 포인트로부터 시작되도록 계측되었다. 일반적으로, 검출기의 온도에 대한 응답성이 증가한다. 그러나, 신호 진폭은 각각의 공동 크기에 대해 임계 온도(
Figure pct00033
)까지 약하게 감소만 한다. 예를 들어, L=0.1mm에 대해 임계 온도는
Figure pct00034
이나, 신호는
Figure pct00035
에서도 여전히 관찰가능하다. 나타낸 신호 동작은 온도와 플라스몬 간섭(coherence) 길이의 감소의 결과로 간주할 수 있다. 간섭 길이가 공동 크기에 달하면, 신호 진폭의 갑작스런 저하가 발생한다. 이론적 관점에서(예를 들면, 에스, 에이. 미카일로브, Appl. Phys. Lett. 89, 042109(2006)), 플라스몬 간섭 길이는 전자 농도에 선형적으로 의존한다. 따라서, 농도의 증가 및 공동 크기의 감소는 주변 포인트로 대한 동작 온도를 올릴 수 있다.
실험적으로 테스트된 디바이스 실시예(65, 도 12 및 13)가 도 29에 표현된다. 테스트된 구조물은 삽입된 제한 결함(69)을 가지는 스트라이프-모양 전차 층(67)을 가진다. 실험에 사용된 사이즈는
Figure pct00036
Figure pct00037
이다. 복사선 주파수는 제 1 플라스몬 공동 모드 조건을 만족시키도록 선택되었다. 제로 자기장에서 검출기 신호(mV)가 제한 기하구조에 의해 현저히 영향을 받는다. 도 29에 도시된 가장 간단한 직사각 기하구조에 관하여, 검출기 신호(mV)는 목 너비
Figure pct00038
를 줄임으로써 충분히 상승한다.
도 30은 디바이스가 에칭 영역 결함(70, 도 14, 15)을 가지는 선택적인 실시예의 동작을 도시한다. 결함 영역 내의 전자 밀도 n1는
Figure pct00039
인 것과 동일하였다. 두 개의 기하구조가 L=0.2mm이고 L=0.1mm에서 시험되었다. 디바이스 광 기전력은 콘택트(51) 및 결함(70) 사이의 플라스몬 공동에 기인한 자기장 T 조정형 공진 응답을 설명한다. 플라스몬 공동의 사이즈가 두 배가가 되는 경우에, 공진 피크 사이의 거리가 두 배로 감소한다. 이는 식(4)와 잘 일치하며 플라스몬 분산 특색을 반영한다. 도 16 및 17은 스텝 결함(71)을 포함한 선택적인 실시예이다.
도 31은 두 개의 게이트 결함(81, 83)(예, 도 18, 19)이 단일 디바이스(72)에서 구현되는 케이스를 도시한다. 고려되는 디바이스(72)는
Figure pct00040
의 폭(너비)를 가진다. 콘택트(40) 및 결함(81)에 의해 형성된 플라스몬 공동(85)의 길이
Figure pct00041
가 다른 콘택트(51) 및 결함(83)에 의해 형성된 제 2 플라스몬의 길이와 동일하다. 결함(81) 및 결함(83)에 의해 형성된 제 3 플라스몬 공동의 길이는
Figure pct00042
이다. 광 기전력 디바이스 응답(도 31)은 세 개의 독립적인 플라스몬 공동(85, 86, 87)으로부터 나온 신호의 조합을 밝힌다. 도 30에 관하여 설명된 디바이스 실시예는, 결함 및 비-조정형 콘택트 경계와 반대로, 두 개의 쉽게-조정되는 결함에 의해 제한된 별개의 플라스몬 공동으로부터 광-응답을 측정할 기회를 제공한다.
도 31의 디바이스 실시예의 조정가능성(tunability)이 도 32에 잘 도시되며, 여기서 조사 중인 디바이스가 다음의 치수,
Figure pct00043
Figure pct00044
및 스트라이프 폭
Figure pct00045
를 가진다. 디바이스의 전자 밀도는
Figure pct00046
이다. 곡선(107)은 결함(81)만이 활성화된 케이스, 즉 전압이 콘택트(49)에 관한 게이트에 인가되는 케이스에 대응하고, 결함(81) 구역의 전자 밀도가
Figure pct00047
와 동일하며, 결함(83) 구역의 전자 밀도는 변경되지 않는다(
Figure pct00048
). 곡선(108)에 대해, 반대 상황이 실현되고, 결함(83)만이 활성화된다. 광 기전력 디바이스 응답(이는 결함(81 및 83)에 의해 형성된 플라스몬 공동으로부터 기원함)은 활성 결함이 변할 때 극성을 변경한다. 따라서, 디바이스 신호 대칭성은 이중 게이트 결함에 d의해 쉽게 제어될 수 있다. 곡선(109)은 양쪽 결함이 기능을 하는 대칭적 케이스와 대응한다. 시스템에 삽입된 비대칭성은 디바이스 응답을 증가시키는 것이 분명하다. 도 32로의 삽입물은 작업 게이트 결함하의 전자 밀도에 대해 자기장 B=1 테슬라에서 계산된 광 기전력 진동 진폭의 의존성을 나타낸다. 상부 도트는 활성 결함(83)에 대응하고 하부 도트는 활성 결함(81)에 대응한다.
도 20 및 21은 6개의 게이트 결함(92)을 이용하는 추가적인 선택적 실시예를 도시하며, 도 22 및 23은 교차 금속화(101, 102, 103, 104, 105, 106)를 이용하는 선택적인 실시예를 도시하며, 여기서 교차 결함이 공통으로 연결된다.
실험 데이터는 명확성 및 설명을 목적으로만 제시된 것으로 이해하여야 한다. 상세한 개시 예로 본 발명을 제한하거나 배제하는 것을 의도한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 측면이 전자기파 검출 방법을 이용하여 논의되었으나, 개시된 조사 결과 및 발견 내용은 복사선 관리의 모든 측면에 적용되는 것으로 이해하여야 한다. 이러한 측면은 특정한 주파수를 가지는 복사선의 생성, 혼합 및 또는 주파수 중첩을 포괄한다.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 정의된다.

Claims (36)

  1. 고체 상태 검출기 장치에 있어서,
    이차원(2D)으로 이동하는 전하 운반체 층을 가지는 반도체 구조물;
    상기 전하 운반체 층에 삽입된 하나 이상의 결함; 및
    상기 전하 운반체 층에 대한 제 1 및 제 2 콘택트로서, 서로 일정거리만큼 이격된 콘택트
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 콘택트 사이의 광 기전력 또는 광전류를 측정하기 위한 측정 디바이스를 더 포함하되,
    상기 측정 디바이스의 출력 신호는 (a) 전자기 복사선의 존재 및 (b) 입사 전가기 복사선의 세기 중 하나 이상에 관한 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 결함이 운반체 밀도 불균등성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밀도 불균등성은 운반체나 불순물의 부가, 또는 운반체나 불순물의 제거의 결과인 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 밀도 불균등성은 게이트 전압의 인가에 의해 운반체의 부가 또는 제거에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 게이트 전압의 진폭을 변경하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 결함은 제한 또는 팽창을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 결함은 운반체 층에서의 불균등성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 결함은 전하 운반체 층 유전 환경 불균등성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 결함은 운반체 유효 질량 불균등성으로 이어지는 구조적 불균등성을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 운반체 층의 복수의 결함이 공간에서 주기적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 운반체 층의 복수의 결함이 공간에서 비-주기적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 운반체 층에 대한 복수의 추가 콘택트가 상기 제 1 및 제 2 콘택트에 부가하여 제공되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치에 인가된 자기장의 진폭을 변경하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장은 상기 전하 운반체 층에 수직인 장 컴포넌트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 운반체 층의 전하 밀도를 변경하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층은 전자 층인 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층은 홀(hole) 층인 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조물은 GaAs/AlGaAs 헤테로구조물을 포함하고,
    Ga는 갈륨이고, As는 아세닉이며, Al은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 구조물은, Si MOSFET 구조물, InAs 구조물, 또는 Si/Ge 구조물 중 하나를 포함하되,
    Si는 실리콘이고, In은 인듐이며, As 아세닉이고, Ge는 게르마늄인 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층 또는 쿼시 2D 전하 운반체 층이 단일 양자 우물의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층 또는 쿼시 2D 전하 운반체 층이 이중 양자 우물의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층 또는 쿼시 2D 전하 운반체 층이 다중 양자 우물을 포함하는 슈퍼래티스의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 전하 운반체 층 또는 쿼시 2D 전하 운반체 층이 헤테로 접합의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    하나의 칩 상에 형성된 복수의 동일한 검출기들을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 전하 운반체 층에 대한 상기 콘택트 중 하나에 연결된 안테나 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치로 전자기 복사선을 향하게 하는 렌즈, 혼(horn) 및 도파관 중 하나 이상과 조합되는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    주변 온도 및 액체 질소의 끓는점 사이의 온도로 상기 장치를 냉각하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  29. 하나 이상의 결함을 가지는 이차원(2D) 전하 운반체 층을 포함하는 디바이스를 제공하는 단계; 그리고
    전자기 복사선으로 상기 디바이스를 노출하여 상기 전자기 복사선의 존재시 플라스몬의 여기를 일으키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    광 기전력의 측정값을 기준으로 상기 플라스몬의 여기를 검출하고 결과를 형성하는 단계; 그리고
    상기 전가기 복사선에 관한 정보를 획득하기 위해 상기 결과를 평가하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출 방법.
  31. 제 29 항에 있어서,
    전자기 복사선의 주파수를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    조절 단계는 상기 운반체 층의 밀도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    조절 단계는 인가된 자기장을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 복사선 검출 방법.
  34. 제 1 항에 있어서,
    하나의 칩 상에 형성된 복수의 서로 다른 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  35. 제 1 항에 있어서,
    전하 운반체가, 강한 재료 비등방성에 기인하여 삼차원으로 이동하도록 허용되나, 지배적으로는 이차원으로 이동하는 (쿼시 2D 전하 운반체 층) 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.
  36. 제 29 항에 있어서,
    전하 운반체는 삼차원으로 이동하도록 허용되나, 지배적으로는 이차원으로 이동하는 (쿼시 2D 전하 운반체 층) 것을 특징으로 하는 고체 상태 검출기 장치.


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