RU186169U1 - Детектор терагерцового излучения на основе углеродных нанотрубок - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для детектирования электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) диапазона на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Сущность: детектор терагерцового излучения содержит подложку, прозрачную для излучения, углеродные нанотрубки, подсоединенные к 2 контактным электродам - исток и сток, расположенным на подложке, затворный электрод, отделенный от углеродных нанотрубок слоем диэлектрика. Электроды исток и затвор выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа. Технический результат, обеспечиваемый разработанной полезной моделью ТГц детектора на основе углеродных нанотрубок заключается в увеличении чувствительности. 1табл., 4 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для детектирования электромагнитного излучения терагерцового (ТГц) диапазона на основе углеродных нанотрубок (УНТ), и может быть использовано в медицинской и космической промышленностях, телекоммуникационных сетях нового поколения, а также в системах безопасности.

В последнее время наблюдается повышенный интерес к так называемому терагерцовому диапазону ЭМ излучения. ТГц излучение занимает промежуточное положение в ЭМ спектре между инфракрасным и микроволновым излучением (0.1-10 ТГц). Прежде всего, этот интерес связан с уникальными свойствами ТГц излучения. С одной стороны, большинство диэлектрических материалов являются практически прозрачными для ТГц излучения. С другой стороны, многие материалы имеют уникальные спектральные отпечатки пальцев, лежащие в ТГц диапазоне (колебательные уровни энергий атомов в веществе лежат в ТГц диапазоне). Идея визуализации и спектрометрического определения скрытых объектов может найти применение в различных областях: от медицины до систем безопасности. В силу своего положение в ЭМ спектре ТГц излучение лежит на стыке фотоники и электроники. При этом традиционные методы этих двух областей науки практически не работают в данном диапазоне. Поэтому необходима разработка новых методов и подходов детектирования, генерации и манипулирования ТГц излучением. Современные детекторы ТГц излучения в основном являются либо слишком медленными, либо работают при низких температурах. Одним из новых подходов к созданию неохлаждаемых матриц детекторов ТГц излучения является использование полевых транзисторов таких, как транзисторы с высокой подвижностью электронов. Именно на базе подобных детекторов компанией Terasense Group были разработаны системы ТГц видения, функционирующие при комнатной температуре в диапазоне от 50 ГГц до 700 ГГц (патент WO 2013096805). Несмотря на перспективность такого подхода, он обладает существенным недостатком. Производство транзисторов с высокой подвижностью электронов требует дорогостоящего оборудования, а также специально оборудованных чистых помещений, что в конечном счете сказывается на цене продукции.

Перспективным подходом к созданию быстрых, эффективных и дешевых детекторов ТГц излучения является использование в качестве чувствительного элемента наноструктур, синтезируемых недорогими химическими методами. Углеродные нанотрубки, благодаря уникальным оптоэлектронным свойствам, рассматриваются в качестве одного из ключевых элементов оптоэлектронных устройств в ТГц диапазоне.

Хотя возможность использования УНТ в качестве чувствительного элемента изучается в течение многих лет, создание детекторов на основе УНТ до сих пор является сложной задачей. Прежде всего, это связано с тем, что синтезируемые УНТ обладают различающимися свойствами, что приводит к плохой воспроизводимости характеристик устройств на их основе. Кроме того, нанотрубки обладают различной шириной запрещенной зоны, что приводит к различным откликам УНТ на одной и той же частоте.

Ряд патентов раскрывают технологию единичных детекторов ТГц излучения на основе УНТ (CN 103399349, JP 5107183 (В2), CN 104075811 A, US 8253104 B2, US 20120182178, WO 2017188438). Рассмотрим более подробно принципы функционирования предлагаемых детекторов.

В патенте US 20120182178 описана система формирования изображения на основе УНТ. Система формирования изображения включает в себя источник ВЧ излучения, антенную решетку в фокальной плоскости и устройство для фокусировки излучения от ВЧ-источника. Антенная решетка в фокальной плоскости включает в себя множество смесителей на основе углеродных нанотрубок для захвата ВЧ сигналов. Устройство фокусирует ВЧ сигнал от указанного источника на фокальной плоскости. Система формирования изображения представляет собой массив смесителей на основе углеродных нанотрубок, которые включают в себя по меньшей мере, пару диодов, формирующихся за счет создания p-n-перехода в УНТ. Для согласования с излучением авторы предлагают использовать дипольную антенну.

Для создания диодов на основе УНТ необходимо создать р-n переход вдоль ее длины. Для этого авторы предлагают использовать метод селективного легирования УНТ образованием области р-n перехода. Один из способов легирования УНТ является АСМ нанолитография. В этом процессе допирующий элемент точечно распыляется на нанотрубке с помощью зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) с образованием p-n-перехода. Альтернативный метод заключается в выборочном депонировании легирующей примесью с использованием стандартных методов литографии. Основным недостатком предлагаемого детектора, является практическая невозможность их промышленного производства.

В патенте CN 103399349 описывается ТГц детектор на основе гетероперехода углеродная нанотрубка - никель. Терагерцовый детектор содержит пучок углеродных нанотрубок макроскопической длины, два никелевых электрода, фокусирующую линзу и наноамперметр. Пучок УНТ соединяет два никелевых электрода. Детектор фиксируется на плоской поверхности фокусирующей линзы. Наноамперметр подключен к никелевым электродам. Терагерцовые электромагнитные волны проникают через линзу и фокусируются на гетеропереходе УНТ-никель. Эксперименты показывают, что в цепи может генерироваться ток до нА, когда ТГц излучение падает на гетеропереход. Терагерцовый детектор электромагнитной волны прост по своей структуре и удобен в изготовлении. Основным недостатком предлагаемого детектора является невысокое быстродействие: порядка миллисекунды.

В патенте US 8253104 (В2) представлен ТГц детектор, основанный на одноэлектронном транзисторе на индивидуальной УНТ. Устройство детектирования терагерцового излучения включает в себя полупроводниковый чип с двумерным электронным газом, углеродную нанотрубку, проводящие электроды исток, сток и затвор. Углеродная нанотрубка расположена поверхности чипа и соединена с электродами исток и сток. Затворный электрод расположен на некотором расстоянии от боковой поверхности углерода нанотрубка. Кроме того, устройство включает в себя схему детектирования тока между истоком и стоком, схему приложения напряжения затвора для приложения переменного напряжения между истоком электрода и затвором. В основе работы детектора лежит эффект кулоновской блокады. Детектор позволяет определять частоту излучения в дополнении к мощности. Для этого необходимо включить в схему источник магнитного поля. К очевидным недостаткам предлагаемого детектора относится необходимость охлаждения системы до температуры 2.5 К.

Из открытых источников известны детекторы ТГц излучения на основе УНТ, описанные в статьях Response of asymmetric carbon nanotube network devices to sub-terahertz and terahertz radiation (Gayduchenko I et al, J. Appl. Phys. 118, 194303, 2015) и Carbon nanotube based Schottky diodes as uncooled terahertz radiation detectors (Fedorov G, Phys. Status Solidi В 255 1700227, 2018). Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является ТГц детектор, предложенный в работе 2015 года. В основе работы единичного детектора лежит эффект выпрямления переменного сигнала на нелинейности канала полевого транзистора.

Рассмотрим подробнее принцип работы, основные преимущества и недостатки предложенных детекторов. В работе 2015 года предложены две конфигурации асимметричных ТГц детекторов основе УНТ. В устройствах первого типа асимметрия достигается за счет различного теплового контакта сетки УНТ у электродов исток и сток. В устройствах второго типа сетка УНТ имеет контакт с различными металлами у электродов исток и сток. За основу предлагаемых детекторов взята конфигурация полевых транзисторов, в которых каналом выступает не упорядоченная сетка одностенных углеродных нанотрубок. УНТ синтезируются на подложке методом химического осаждения из газовой фазы. После синтеза УНТ формирования канала транзистора и контактной металлизации осуществляется стандартными литографическими методами. Электроды исток и сток образуют спиральную антенну логарифмического типа и служат для связи с излучением. В качестве подложке используется кремний (с сопротивлением 10 Ом*см), покрытый оксидом. Использование такой подложки позволяет электростатически перестраивать электронные свойства канала транзистора с помощью заднего кремниевого затворного электрода. Отметим, что данная технология изготовления детекторов является промышленно применимой.

Авторами продемонстрирована возможность детектирования суб-ТГц излучения частотой 140 ГГц при комнатной температуре. При этом большую чувствительность проявляют детекторы с асимметричной металлизацией. При температуре 4.2 к устройства детектируют излучение частотой 2.5 ТГц. В качестве основного механизма детектирования ТГц излучения авторами рассматривается комбинация фото-термоэлектрического эффекта (возникающего за счет неравномерного разогрева канала транзистора) и диодного эффекта (выпрямление излучения на барьере, возникающем на границе УНТ/ванадий). К недостаткам представленных детекторов стоит отнести невысокую чувствительность при комнатной температуре 10 В/Вт, а также невысокое быстродействие. Отметим, что быстродействие устройства определяется его конфигурацией. Проводящий кремний подложки образует конденсатор с контактными электродами, и время отклика τ=1/(RC), где С - емкость конденсатора, a R - сопротивление канала транзистора.

Для увеличения чувствительности детектора в своей работе 2018 года авторы использовали конфигурацию полевого транзистора с асимметричной металлизацией, в котором каналом выступает индивидуальная УНТ. При этом в случае полупроводниковой УНТ чувствительность при комнатной температуре достигала 150 В/Вт на частоте 130 ГГц, а частота отсечки составляет 500 ГГц. Металлические УНТ демонстрируют меньшую чувствительность при этом их отклик является более широкополосным (до 2.5 ТГц при температуре 300 К). Отметим, что несмотря на то, что авторам удалось увеличить чувствительность устройств, предложенная технология не является промышленно применимой. Устройства на основе индивидуальных УНТ не обладают воспроизводимыми свойствами, а также трудно изготовимы в промышленных условиях.

Основным недостатком детектора - прототипа является его невысокая чувствительность при комнатной температура, а также недостаточное быстродействие.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка такого детектора ТГц излучения на основе углеродных нанотрубок, в котором электроды исток и затвор выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа для согласования с излучением, а процедура изготовления была стандартизированной и совместимой со стандартными промышленными технологиями. Важным отличием предлагаемого способа является возможность использование верхнего затворного электрода для электростатического легирования.

Новым в разработанном устройстве является то, что:

- детектор терагерцового излучения, содержащий подложку, прозрачную для излучения, углеродные нанотрубки, подсоединенные к 2 контактным электродам - исток и сток, расположенным на подложке, затворный электрод, отделенный от углеродных нанотрубок слоем диэлектрика, в котором электроды исток и затвор выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа.

Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанной полезной моделью ТГц детектора на основе углеродных нанотрубок заключается в увеличении чувствительности.

Разработанная полезная модель детектора поясняется следующими фигурами:

Фиг. 1 - Общий вид детектора терагерцового излучения на основе УНТ, в котором электроды исток и затвор выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа

Фиг. 2 - Внутренние части электродов исток, сток, затвор и чувсвительный элемент - сетка УНТ.

Фиг. 3 - Схематическое изображение поперечного разреза детектора и электрическая схема измерений фотоотклика устройства.

Фиг. 4 - График зависимости фотоотклика детектора на излучение с частотой 130 ГГц от затворного напряжения.

Фиг. 1 демонстрирует общий вид детектора терагерцового излучения на основе УНТ, в котором электроды исток 1 и затвор 2 выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа. За основу предлагаемого детектора взята конфигурация, предложенная Дьяконовым и Шуром в 1996 [Dyakanov М et al, IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 43, Issue: 3, Mar 1996]. В этой работе рассмотрено детектирование ТГц с помощью полевых транзисторов, в которых каналом выступает двумерный электронный газ, а излучение связано с истоком и затвором. Детектирование излучения в такой системе происходит за счет возникновения плазменных волн в канале транзистора с высокой подвижностью электронов. При этом, если канал транзистора короткий и плазменные волны не успевают затухнуть, то возникает резонансное детектирование. В случае затухающих плазменных волн наблюдается широкополосное детектирование. Возможность резонансного детектирования в устройствах с асимметричной металлизацией на основе УНТ была впервые представлена в работе профессора Рыжия в 2016 году [V. Ryzhii et al, J. Appl. Phys. 120, 044501 (2016)].

Предлагаемый детектор представляет собой полевой транзистор, каналом которого является разряженная сетка УНТ 3. Количество трубок в сетке составляет от 10 до 50. Длина канала транзистора составляет от 0.5 до 4 мкм. Ширина канала транзистора составляет от 2 до 10 мкм. Электроды исток 1 и затвор 2 представлены в виде спиральной антенны логарифмического типа. Затвор отделен от канала слоем диэлектрика 4. Фиг. 2 демонстрирует схематическое изображение внутренней части детектора. Отметим, что использование сетки УНТ 3 вместо индивидуальной нанотрубки делает возможным промышленное изготовление детекторов, а работу детекторов воспроизводимой и стабильной. В качестве подложки 5 используется материал прозрачный для ТГц излучения. В частности, в качестве подложки может быть использован кремний (10 Ом*см), покрытый оксидом. С одной стороны, это дает возможность использовать кремний в качестве затворного электрода 6. С другой стороны, создается паразитная емкость, которая ограничивает быстродействие устройства. Использование в качестве подложки высокоомного кремния может лишить детектор этого недостатка, но требует дополнительного исследования.

Фиг. 3 демонстрирует принципиальную схему функционирования детектора. Изготовленный детектор фиксируется на плоской поверхности кремниевой линзы, с помощью которой излучение фокусируется в центре детектора. Детектор подключается к внешней цепи для считывания и записи сигнала постоянного напряжения между истоком и стоком. Для этого может быть использован стандартный вольтметр. Детектор также содержит схему для прикладывания затворного напряжения между электродом исток и затвор. В результате взаимодействия падающего ТГц излучения с детектором возникает сигнал постоянного напряжения между электродами исток 1 и сток 7, который мы рассматриваем в качестве отклика детектора. При этом величина фотонапряжения зависит от напряжения затвора и может быть оптимизирована. На фиг. 4 представлена зависимость отклика типичного детектора на излучение 130 ГГц от затворного напряжения при температуре 300 К. Значение чувствительности в области положительных затворных напряжений достигает 30 В/Вт, что в 5 раз превышает чувствительность детектора, в котором излучение связано с чувствительным элементом через электроды исток и сток.

Традиционно в качестве основного механизма детектирования в устройствах подобного типа рассматривается широкополосное детектирование за счет затухающих плазменных волн. В этом случае функциональная зависимость отклика от затвора должно повторять G^-1*(dG/dV_g), где G - проводимость, a Vg - напряжение на затворе. Отметим также возможный вклад термоэлектрического механизма в наблюдаемый отклик. Переменный ток, возникающий под воздействием ТГц излучения, протекает преимущественно между истоком и затвором, что приводит к более сильному нагреву электронной подсистемы в окрестности истока, чем в окрестности стока. Это в свою очередь приводит к возникновению термо-ЭДС в наших устройствах. Третьим возможным механизмом детектирования ТГц излучения в наших устройствах является диодный эффект, связанный с выпрямлением на барьере, образующимся на границе УНТ - металл. Важно, что наших устройствах все три механизма должны давать вклад одного знака, что приводит к усилению отклика устройства.

Claims (1)

1. Детектор терагерцового излучения, содержащий подложку, прозрачную для излучения, углеродные нанотрубки, подсоединенные к 2 контактным электродам - исток и сток, расположенным на подложке, затворный электрод, отделенный от углеродных нанотрубок слоем диэлектрика, отличающийся тем, что электроды исток и затвор выполнены в виде плоской спиральной антенны логарифмического типа.

Images