RO137628A2 - Fototranzistor unijoncţiune iluminat transversal cu metasuprafaţă integrată - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un fototranzistor unijoncţiune având rol de modulator şi comutator optic controlat electric, care integrează o metasuprafaţă plasmonică având scopul de a spori interacţiunea luminii cu materia în domeniul spectral 400...750nm, adică în spectrul vizibil. Fototranzistorul conform invenţiei are o configuraţie realizată pe un cristal (4) semiconductor de tip p, ZnRh2O4, transparent în domeniul vizibil, prin depunerea a două straturi (1 şi 2) de Al:ZnO (AZO) pentru bazele fototranzistorului care au şi rol de contacte ohmice şi a unui strat (3) lateral de n-ZnO cu rol de emitor şi prin adăugarea unei reţele (5) hexagonale de nanoantene de argint, constituind metasuprafaţa integrată pe interfaţa inferioară a cristalului (4) semiconductor.

Description

RO

V

DE STAT PENTRU INVENȚII Șl MÂRCI Cererade brevet de Invenție

Nr..................

Fototranzistor unijonctiune iluminat transversal cu metasuprafată integrată

Domeniul tehnic

Prezenta invenție se refera la o componentă optoelectronică pentru comunicatii optice cu o structură bazată pe oxizi conductori transparenti si un semiconductor transparent.

Fototranzistorul unijonctiune (FTUJ) propus constituie un modulator si comutator optic controlat electric, care integrează o metasuprafață (MTS) plasmonică, optimizată prin rezonanțe plasmonice de suprafață localizate (RPSL), in scopul de a spori interacțiunea luminii cu materia in domeniul spectral 400 +· 750 nm, adică in vizibil.

Când nanoparticulele metalice de pe o interfață dielectrica sunt iluminate se induce o oscilație dipolară tuturor electronilor liberi din metal. Electronii vor oscila cu o anumita frecventă, numită frecventă plasmonică, iar când frecventa câmpului electromagnetic devine rezonantă cu oscilația coerentă a electronilor liberi apar asa-numitele rezonante plasmonice de suprafață (RPS). In cazul nanoparticulelor metalice aceste RPS sunt localizate la suprafața nanoparticulelor si se numesc rezonante plasmonice de suprafață localizate (RPSL). Atunci MTS reprezintă o interfață plasmonică cu grosimea sub lungimea de undă de operare, pe care sunt nanoantene dispuse regulat la distanțe mai mici decât lungimea de undă, pentru a modifica gradat faza luminii.

MTS plasmonică introduce rezoluții spectrale si spațiale mai mari în sistemele optoelectronice pentru telecomunicații si spectroscopice implicate in modularea, analiza si detecția luminii.

Astfel, caracteristicile unice ale FTUJ justifica utilizarea sa într-o varietate de aplicații: procesoare optice, comunicații optice, generatoare de impulsuri, circuite de declanșare, controloare de fază, circuite de temporizare.

Inovația isi propune creșterea capacitatii de procesare optoelectronica a informației ca un pas premergător in implementarea sistemelor de procesare in întregime optică a informației (all optical computing).

Stadiul tehnicii

Comutarea optoelectronică este o metodă de modulare cu ajutorul semnalelor electrice a intensității fasciculelor de lumina intre valori discrete, adica o cuantificare a intensității luminoase. Referindu-ne la Fig. 1, e ca si cum pe emitorul (3) unui fototranzistor străbătut de un fascicul

Director General INCDFM Dr. lonut ius Enculescu

Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel

luminos se aplică un semnal electric si acest semnal comută intre valori discrete intensitatea fasciculului transmis intre regiunile Bl si B2 cat timp este aplicat.

Modul de funcționare a unui FTUJ cu ajutorul unei MTS active, adică un strat subțire cu confinare optică modulată electric, face posibil controlul spatio-temporal al fasciculelor de lumină exploatând fenomene optice precum refracția, absorbția, imprăstierea eficientă pe purtători de sarcină a luminii, astfel incat structura optică plană poate fi mai subțire decât un cristal optic neliniar convențional sau un alt tip de comutator/modulator optic cu pierderi controlate.

Prezentarea problemei tehnice

In mod normal, comutarea/modularea fasciculelor de lumina se face cu componente optice voluminoase. Structura propusă permite micșorarea masei, complexității, prețului unor ansambluri pentru procesare optică, concomitent cu sporirea vitezei de comutare/modulare.

Utilizare

Se recomandă folosirea acestei componente optoelectronice FTUJ in aplicatii de procesare a fasciculelor de lumină si comunicatii optice.

Expunerea invenției

Prezenta invenție constă intr-o interfață structurată, integrată intr-o structură activă compactă pentru controlul comutării. Structura compactă nu introduce inițial mari pierderi optice, pentru că straturile optice ale componentei sunt transparente. Caracterul activ este introdus de posibilitatea de a controla transmisia sau opacitatea structurii, respectiv frecventa de comutare/modulare prin aplicarea unor diferente de potențial pe electrozii (emitorul si bazele) FTUJ.

Modul de funcționare

Structura FTUJ este prezentată detaliat in Fig.l, unde am notat:

(1) primul strat de oxid transparent Al:ZnO (AZO) pentru contact electric cu proprietăți plamonice superioare si totodată prima bază a FTUJ depusă pe cristalul semiconductor transparent ZnRh2O4 tipp;

(2) al doilea strat de oxid transparent si totodată a doua bază a FTUJ;

Director General INCDFM

Dr. lonut Marius Enculescu

Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel (3) emitorul structurii FTUJ realizat tot printr-o depunere de oxid transparent ZnO de tip n pe fata laterală a cristalului ZnRhiCM;

(4) cristalul semiconductor transparent ZnRh2O4 tip p;

(5) nanoparticulele de argint (Ag) sub forma unor nanoantene tetraedrale dispuse sub forma unei rețele hexagonale pe interfața cu stratul (2) de AZO, care le înglobează si (6) fasciculul de lumină modulat de FTUJ.

Prin urmare, nanoparticulele de Ag sunt protejate de procesul de mătuire de stratul depus ulterior peste ele.

O proiectare simplă face cu putință modularea optică eficientă cu semnale electrice aplicate intre bazele (1), (2) si respectiv emitorul (3) cu grosimi comparabile cu lungimea de undă de operare.

Daca viteza de comutare este suficient de mare, atunci procesarea informațiilor optice este semnificativ imbunatatită.

Prezentarea avantajelor si dezavantajelor

Avantaje întrucât au suprafețe plane componentele optice tip FTUJ cu MTS nu introduc aberații optice, dar permit confinarea luminii pe distante sub lungimea de undă si un control eficient al transmisiei optice.

Dezavantaje

Structurarea interfețelor prin metode de microlitografie poate fi mai puțin economică deocamdată pe arii mari din cauza tehnologiilor laborioase.

Este necesară o parte de electronică de comandă pentru modularea rapidă a semnalului electric aplicat pe emitorul (3).

Prezentarea pe scurt a figurilor

Prezenta invenție poate fi înțeleasă prin referire la figurile din Anexă:

- Fig. 1 ilustrează structura FTUJ;

- Fig. 2 figurează caracteristicile de comutare: (a) teoretică si (b) reală;

- Fig. 3 arată distribuția indicelui de refracție a structurii FTUJ;

- Fig. 4 redă simbolul FTUJ.

Director General INCDFM

Dr. lonut Marius Enculescu

Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel /W

Prezentarea in detaliu a unui mod de realizare

Pentru prima structură, pe o suprafață a semiconductorului transparent p-ZnRh2O4 simt depuse nanoantene plasmonice din Ag prin tehnica de litografie cu nanosfere de polistiren (LNP), apoi straturi de AZO prin pulverizare cu magnetron (RF sputtering) pe ambele interfețe paralele sau depunere cu laser pulsat (PLD).

LNP oferă un control remarcabil al mărimii, formei și distanței dintre particule de Ag. Lățimea în plan și înălțimea în afara planului nanoparticulelor fabricate cu LNP pot fi reglate independent, cu precizie nanometrică, prin selectarea diametrului nanosferelor utilizate ca masca de depunere sub forma unui cristal coloidal bidimensional (2D) și a grosimii materialului depus.

Forma stratului de nanosfere este controlată de precizia măștii de cristal coloidal 2D sau, alternativ, prin etapele de procesare postdepunere, cum ar fi un tratament termic. în plus, tehnologia LNP este extrem de simplu de implementat, avand costuri reduse, materiale destul de generale, este aproape ideală ca platformă pentru studii de teorie si experimente ale proprietăților optice ale nanoparticulelor [Traci, R.J. et al. J. Phys. Chem. B, 104, 10549, 2000].

Filmul policristalin de AZO este depus prin PLD pe stratul de nanoparticule de Ag la o temperatură la fel de scăzută ca temperatura camerei. Aceasta depunere este urmată de un tratament termic simplu la o temperatură mai mare și sub atmosferă controlată, pentru a induce creșterea epitaxială în faza solidă. PLD are avantaje superioare fața de pulverizarea cu magnetron, inclusiv versatilitate, control asupra ratei de creștere, transfer stoichiometric și grad nelimitat de libertate în geometria ablației.

Stratul de η-ZnO pentru joncțiune va fi obținut tot prin PLD.

Pentru ZnO conductivitatea de tip n este relativ ușor de realizat prin excesul de Zn sau cu dopaje de Al, Ga sau In. Stratul η-ZnO depus peste p-ZnRh2O4 formează o heterojuncție p-n, care determină apariția unei regiuni de golire a sarcinii spațiale la interfața solid-solid, ceea ce are ca rezultat o mai bună separare a purtătorilor de sarcină.

In plus, filmul de ZnO permite un contact electric îmbunătățit cu semiconductorul ZnRh₂O4. Grosimea și doparea straturilor p-ZnRh₂O₄ și η-ZnO pot fi optimizate, pentru ca fotonii fasciculului de intrare să interacționeze puternic cu purtătorii de sarcină din straturile AZO și nanoantenele de Ag, astfel meat să fie modulați eficient de semnalul aplicat pe joncțiunea p-n. Straturile AZO vor fi optimizate pentru transparență funcție de conductivitate.

Director General INCDFM

Dr. lonut

Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel

Contactele ohmice (1), (2) pentru baza 1 (Bl), baza 2 (B2) și contactul (3) pentru emițător (E) (Fig. 1) ar putea fi formate si prin depunere termică rapidă (RTD).

Tehnologia de fabricare a structurii incluzând litografia cu nanosfere din polistiren

Elementele rezonatoare de pe interfețele FTUJ pentru funcționarea in vizibil se obțin prin litografie cu nanosfere din polistiren. Tehnologia este următoarea:

- substratul p-ZnRtuCL se degresează prin fierbere in tricloretilena, apoi se clătește in acetonă;

- se depune un strat de fotorezist AZI505 prin spin-coating la 5000 rot/min, timp de 1 minut;

- se aplică un tratament termic la 120°C timp de 50 s intr-o etuvă;

- se formează masca de nanosfere ca un cristal coloidal bidimensional pe substrat tot prin spincoating, tratament termic si se expune structura la radiația UV prin masca cu nanosfere;

- se developează fotorezistul expus cu AZ 726 MIF intr-un timp mai scurt de 1 minut;

- prin PLD sau RF sputtering se depune stratul de 30 nm de metal (Ag) pe substratul pentru MTS;

- cu remover AZ 100 sau acetona se îndepărtează fotorezistul cu stratul metalic si rămân pe interfață antenele de Ag cu o înălțime de 30 nm;

- se protejează fetele laterale cu un strat de rășină si se depune stratul de AZO cu grosime de cel puțin 50 nm prin PLD pe ambele interfețe ale cristalului p-ZnRh2O4, formandu-se bazele FTUJ;

- se îndepărtează cu un solvent rășina de pe fetele laterale si se protejează apoi cu rășina suprafețele bazelor;

- se depune ZnO cu grosime de cel puțin 50 nm prin PLD printr-o mască adecvată pe o suprafață laterală a structurii pentru formarea heterojonctiunii p-n, astfel incat Xi<X2;

- se îndepărtează rășina de pe baze cu un solvent si se fac sudurile unor fire de contact la bazele si emitorul FTUJ.

Modul in care invenția este susceptibilă a fi aplicată industrial

Aplicația posibilă a FTUJ cu metasuprafată integrată este în procesarea optoelectronică a informațiilor ca un pas de tranziție către procesarea in întregime optică. Tehnologic, noua soluție constructivă permite fabricarea și implementarea materialelor transparente optic cu caracteristici optimizate pentru interactia materiei cu lumina, in scopul de a miniaturiza componentele optoelectronice.

Director General INCDFM

Dr. lonut

Enculescu

Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel

Claims (2)

1. Revendicări

   1. Fototranzistor unijonctiune iluminat transversal cu metasuprafată integrată caracterizat prin faptul că are o configurație realizată pe un cristal semiconductor (4) tip p-ZnRh2O4 transparent in vizibil prin depunerea a două straturi (1) si (2) de Al:ZnO (AZO) pentru bazele fototranzistorului si totodată contacte ohmice, respectiv a stratului (3) lateral de η-ZnO pentru emitor mai aproape de stratul (2) si prin structurarea unei rețele hexagonale (5) de nanoantene de Ag, constituind metasuprafata integrată pe interfața inferioară a cristalului p-ZnRh2O4, pentru sporirea interacțiunii luminii (6) cu materia si comutarea/modularea transmitantei structurii la o frecventă sporită in aplicatii de procesare optoelectronică a fasciculelor luminoase.
2. 2. Fototranzistor unijonctiune iluminat transversal cu metasuprafată integrată conform revendicării 1 caracterizat prin faptul ca metasuprafata integrată in structura transparentă este structurată prin procedura de litografie cu nanosfere din polistiren pentru controlul cu precizie nanometrică a distanțelor dintre nanoantenele tetraedrale (5) de Ag în planul bazei și înălțimii acestora în afara planului, cu selectarea diametrului nanosferelor utilizate ca masca de depunere sub forma unui cristal coloidal bidimensional și a grosimii materialului depus pentru formarea bazei (2).

   Director General INCDFM

   Dr. lonut

   Dr. Cotîrlan-Simioniuc Costel

   Anexa 1 f