RU2782707C1 - Терагерцевый болометр на горячих электронах - Google Patents
Терагерцевый болометр на горячих электронах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782707C1 RU2782707C1 RU2021134181A RU2021134181A RU2782707C1 RU 2782707 C1 RU2782707 C1 RU 2782707C1 RU 2021134181 A RU2021134181 A RU 2021134181A RU 2021134181 A RU2021134181 A RU 2021134181A RU 2782707 C1 RU2782707 C1 RU 2782707C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thz
- nanowires
- radiation
- terahertz
- field
- Prior art date
Links
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 16
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical group [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 230000000903 blocking Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 4
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 4
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 3
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 2
- 210000004940 Nucleus Anatomy 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001017 electron-beam sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым приборам для детектирования излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот, а именно к прямым детекторам ТГц излучения болометрического типа. Болометр на горячих электронах для детектирования излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот включает в себя полупроводниковую структуру с нанесенными на ее поверхность стандартной топологии полевого транзистора, при этом в качестве фотопоглощающего элемента используется эпитаксиальная структура, состоящая из системы проводящих одномерных нанонитей из атомов олова, встроенных в объем кристалла GaAs, зонная структура которой представляет собой множество потенциальных ям с локализованными в них электронами, а металлические контакты на поверхности структуры ориентированы таким образом, чтобы ток в канале транзистора тек в направлении перпендикулярно нанонитям, при этом между контактами истока и стока приложено слабое тянущее поле, а запирающее напряжение на затворе выставляется таким образом, чтобы проводимость в поперечном направлении отсутствовала. Изобретение обеспечивает возможность создания детектора ТГц излучения болометрического типа с высокой чувствительностью и поляризационной селективностью, способного работать в широком диапазоне температур от 4,2 до 300 К. 1 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к полупроводниковым приборам для детектирования излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот, а именно к прямым детекторам ТГц излучения болометрического типа. Изменение сопротивления активной фотопоглощающей части полупроводниковой структуры при поглощении ТГц фотонов происходит за счет использования специальной конструкции, содержащей одномерные нанонити из атомов олова, образующие потенциальные ямы с локализованными в них электронами. Поглощение ТГц излучения увеличивает энергию локализованных электронов, что приводит к их делокализации и появлению электрического тока в поперечном направлении (между потенциальными ямами). Отличительной особенностью такого прибора является простота конструкции, высокая чувствительность и эффективная работа в большом диапазоне температур, вплоть до комнатной (300 К). Также за счет наличия у нанонитей выделенного направления, возможно обеспечить поляризационную селективность при детектировании ТГц излучения.
Для детектирования ТГц излучения используется множество методов, основанных на различных физических принципах. Их разделяют на два больших класса: когерентные и некогерентные. Некогерентные методы, основанные на прямом поглощении ТГц импульса, позволяют получить информацию об амплитуде сигнала. К таким методам относятся детекторы, основанные на ячейке Голея, полевых транзисторах (ПТ), различные болометрические детекторы и др. Когерентные методы детектирования позволяют извлечь информацию не только про амплитуду, но также и про фазу ТГц импульса. Такие приемники обладают максимальной чувствительностью и быстродействием, а также обеспечивают максимально возможное спектральное разрешение. Чаще всего используются когерентные детекторы на основе фотопроводящих антенн и нелинейных кристаллов. Хотя когерентные детекторы дают больше информации об объекте, они требуют применения более сложной схемы измерений, включающей в себя расщепление сверхкороткого оптического импульса или генератор промежуточной частоты (гетеродин), что сильно затрудняет создание широкоформатных детекторов для систем визуализации на их основе. Кроме этого, в ТГц диапазоне частот они больше подвержены влиянию дробового шума, возникающего вследствие поглощения фонового излучения [F. Sizov, “Terahertz radiation detectors: the state-of-the-art,” Semicond. Sci. Technol. 33(12), 123001 (2018)].
Некогерентные детекторы, к которым относятся и болометры на горячих электронах, используют более простую измерительной схему, что позволяет создать многоэлементную матрицу из множества отдельных элементов для применений, не требующих высокого спектрального разрешения. Поэтому большинство систем визуализации основано на системах прямого детектирования. Болометрические детекторы основаны на принципе изменения сопротивления активной области в результате нагрева после поглощения электромагнитного излучения. Наибольшая чувствительность у охлаждаемых до температуры < 1 К детекторов, что сильно влияет на стоимость и размеры измерительной схемы, а также ограничивает возможности их применения. У неохлаждаемых болометров чувствительность намного ниже из-за паразитного теплового шума, который еще больше возрастает из-за разогрева при поглощении излучения. Что приводит к необходимости использования эффективной системы теплоотвода от активной области. Предлагаемая конструкции болометра на горячих электронах позволяет минимизировать тепловой шум за счет подбора потенциала на затворе и создания потенциального барьера для носителей заряда, что может обеспечить высокую чувствительность прибора даже при комнатной температуре. Также важно отметить, что из-за очень малой энергии ТГц фотона (составляющей около 4 мэВ для частоты 1 ТГц) создание материала, способного напрямую поглощать это излучение при комнатной температуре, само по себе является нетривиальной задачей.
Среди прямых ТГц детекторов наиболее близким к предложенному по принципу действия является детектор на основе полевых транзисторов (field-effect transistor, FET-детектор). В нем на полупроводниковую структуру, содержащую двухмерный электронный газ, являющийся каналом транзистора, нанесены электроды истока, стока и затвора. Поскольку частота плазменных колебаний электронного газа в канале находится в ТГц диапазоне, то детектирование излучения возможно за счет создания стабильных осцилляций благодаря физическому механизму отражения плазменных волн от границ транзистора с последующим усилением их амплитуды. В патенте [US7420225B1], принятом за прототип, описывается FET-детектор, состоящий из структуры с одной или несколькими квантовыми ямами и полевого транзистора на ее поверхности с решетчатым затвором. Решетчатый затвор может состоять из нескольких электродов и иметь как минимум один управляемый независимо от остальных электрод. Подача на такой электрод потенциала в области отсечки ПТ существенно повышает величину резонансного отклика детектора. Решетчатый затвор при подаче напряжения пространственно модулирует плотность электронного газа в канале транзистора и определяет волновой вектор возбуждаемых плазмонных волн, в то время как резонансная частота колебаний плазмонных волн зависят от периода этой решетки и слоевой концентрации электронов в канале. За счет этого авторы смогли повысить чувствительность FET-детектора при работе в селективном (узкополосном) режиме без ухудшения широкополосного режима детектирования по сравнению с ранее предложенными вариантами FET-детекторов [X. G. Peralta et al., “Terahertz photoconductivity and plasmon modes in double-quantum-well field-effect transistors,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, no. 9, pp. 1627–1629, 2002]. По сравнению с FET-детектором предложенная конструкция болометра на основе структуры с нанонитями из атомов олова за счет точной настройки затворного потенциала может обеспечить бóльшую чувствительность при работе в широкополосном режиме во всем диапазоне температур, а также возможность поляризационной селективности при поглощении ТГц излучения.
Для создания широкоформатных ТГц приемников, обеспечивающих высокое пространственное разрешение и скорость визуализации изображения, используются двухмерные массивы, состоящие из отдельных пикселей. Каждый пиксель включает в себя тонкий металлический поглощающий слой, нанесенный на термоизолированную мембрану болометра. Для повышения эффективности поглощения ТГц излучения обычно формируются воздушные полости между поглощающим и отражающим слоем на подложке, служащие оптическим резонатором. Размер резонатора определяется длиной волны детектируемого излучения λ и обычно составляет λ/4. Такая конструкция представлена, например, в [US7741604B2]. Недостатками являются невысокая чувствительность и сложность изготовления массива. Малый размер одного пикселя в массиве, общая сложность конструкции и хрупкость висящей в воздухе мембраны болометра вынуждают искать различные способы повышения надежности, как например заполнение полости резонатора диэлектрическим слоем различной толщины [US8541742B2].
Большинство изобретений, связанных с болометрическим принципом детектирования излучения, направлено на поиск эффективного способа обеспечения электромагнитной связи (coupling) ТГц излучения с поглощающим слоем. В [WO2011048170Al] предлагается конструкция детектора, позволяющая организовать емкостной тип связи. Детектор состоит из множества антенн лепесткового типа, расположенных по кругу. В центре находится изолированная от антенн подвешенная мембрана с фотопоглощающим слоем на ней. После попадания ТГц фотонов на лепестки антенны происходит преобразование энергии ТГц фотонов в электрический ток за счет фокусирования этой энергии на мембрану посредством емкостной связи. Метод, основанный на использовании резистивной связи, предлагается в [US10393649B2], где используется конструкция болометра, состоящая из направленной антенны 1, которая переизлучает принятое ТГц излучение на антенну 2. Обе антенны ориентируются соосно таким образом, чтобы длина антенны 1 была меньше длины антенны 2 и располагаются над болометрическим детектором. Сигнал формируется за счет определения нагрева антенны 2 при протекании тока в ней. Необходимо отметить, что поскольку прямое поглощение ТГц излучения в материале происходит без потерь мощности, оно всегда будет эффективнее нескольких преобразований энергии с использованием приемной антенны.
Техническим результатом изобретения является простой в изготовлении детектор ТГц излучения болометрического типа с высокой чувствительностью и поляризационной селективностью, способный работать в широком диапазоне температур от 4,2 до 300 К.
Технический результат достигается за счет использования специальной полупроводниковой структуры с нанесенными электродами стандартной топологии ПТ, состоящей из системы проводящих нанонитей из атомов олова, встроенных в объем кристалла GaAs. За основу взята наноразмерная структура, предложенная в патенте [RU126511U1]. Реализовать такую структуру можно, используя вицинальную подложку GaAs с углом разориентации 0,3˚ от исходной плоскости (100) в направлении плоскости типа (111). Вицинальная поверхность подложки представляет собой террасы шириной 500 Å и высотой, равной половине параметра решетки GaAs (2,83 Å), образующие ступени. Такая ступенчатая поверхность характеризуется всплеском потенциальной энергии на краях ступеней для адсорбированных адатомов эпитаксиально наращиваемого вещества, например, атомов Ga [Y. Tokura, H. Saito, T. Fukui. Terrace width ordering mechanism during epitaxial growth on a slightly tilted substrate // J. Cryst. Growth, 94, 46 (1989)]. Подбирая условия роста и точно дозируя количество электрически активных атомов донорной примеси, попадающих на поверхность, можно сформировать на поверхности одномерные нити, представляющие собой цепочки атомов, занявших вакантные связи на краях ступеней [Khabibullin, R.A., Yachmenev, A.E., Lavrukhin, D.V. et al. Electron transport and optical properties of structures with atomic tin nanowires on vicinal GaAs substrates. Semiconductors 50, 185–190 (2016)]. В данном случае для легирования используется олово, поскольку его атомы проявляют заметную миграционную активность на поверхности, обеспечивающую их эффективную доставку к краям ступеней вицинальной подложки без образования зародышей на террасах. После заращивания системы нитей слоем GaAs получается полупроводниковая структура, зонная структура которой представляет собой множество потенциальных ям с локализованными в них электронами (фиг. 1). Свободные электроны образуют проводящие каналы вдоль направления нанонитей, а электронный транспорт в такой структуре будет проявлять явную анизотропию проводимости в направлении вдоль и поперек нанонитей. Далее на поверхности формируются электрические контакты в стандартной топологии ПТ, включающие в себя сток, исток и затвор таким образом, чтобы ток в канале ПТ тек в направлении перпендикулярно нанонитям. Плотность электронов в ямах может управляться с помощью потенциала на затворе, изменение которого перемещает уровень Ферми на зонной структуре (положение EF при Ug<0 на фиг.1). Таким образом, прикладывая отрицательный запирающий потенциал на затвор, можно получить как полностью изолированные друг от друга каналы, так и плавно заглублять уровень Ферми в потенциальную яму, оставляя величину барьерного потенциала Ub нужной величины. Приложив небольшой тянущий потенциал < 1 В между контактами истока и стока и подобрав затворный потенциал таким образом, чтобы за счет заглубления уровня Ферми проводимость в поперечном направлении практически отсутствовала, можно сократить регистрируемый темновой ток исток-сток почти до нуля. Принцип действия предлагаемого болометра на горячих электронах основан на увеличении числа делокализованных электронов при поглощении ТГц излучения и увеличению регистрируемого тока исток-сток (iph на фиг.1) при заданном потенциале на затворе. За счет сильной зависимости количества делокализованных электронов от их энергии такой детектор будет обладать повышенной чувствительностью по сравнению с болометрами на базе стандартных наноструктур, а работоспособность обеспечиваться в максимально широком диапазоне температур до 300 К. Поляризационная селективность обеспечивается наличием выделенного направления у нанонитей, блокирующего поглощение излучения с поляризацией, ориентированной в поперечном относительно нанонитей направлении.
Фиг. 1. Принципиальная схема формирования фототока при поглощении ТГц фотонов в структуре, содержащей нанонити из атомов олова, встроенные в кристалл GaAs.
Пример 1
Методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается эпитаксиальная структура, состоящая из системы нанонитей из атомов олова, встроенных в кристалл GaAs. Методом термического, магнетронного или электронно-лучевого распыления на поверхность структуры наносятся металлические контакты в стандартной топологии полевого транзистора, включающие в себя исток, сток и затвор. При этом:
1) Используется вицинальная подложка GaAs с углом разориентации 0,3˚ или 0,4˚ от исходной плоскости (100) в направлении плоскости типа (111);
2) Для легирования используются атомы олова со слоевой концентрацией ~ 8×1012 см-2, обеспечивающей формирование цепочек из атомов олова вдоль краев вицинальных террас;
3) Металлические контакты должны быть ориентированы таким образом, чтобы ток в канале полевого транзистора тек в направлении, перпендикулярном сформированным нанонитям из атомов олова;
4) На контакты истока и стока приложено слабое тянущее поле, соответствующее напряжению < 1 В;
5) Затворный потенциал выбирается таким образом, чтобы проводимость в поперечном направлении практически отсутствовала.
Claims (1)
- Болометр на горячих электронах для детектирования излучения терагерцевого (ТГц) диапазона частот, включающий в себя полупроводниковую структуру с нанесенными на ее поверхность металлическими контактами истока, стока и затвора в стандартной топологии полевого транзистора, отличающийся тем, что в качестве фотопоглощающего элемента используется эпитаксиальная структура, состоящая из системы проводящих одномерных нанонитей из атомов олова, встроенных в объем кристалла GaAs, зонная структура которой представляет собой множество потенциальных ям с локализованными в них электронами, а металлические контакты на поверхности структуры ориентированы таким образом, чтобы ток в канале транзистора тек в направлении перпендикулярно нанонитям, при этом между контактами истока и стока приложено слабое тянущее поле, а запирающее напряжение на затворе выставляется таким образом, чтобы проводимость в поперечном направлении отсутствовала.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2782707C1 true RU2782707C1 (ru) | 2022-11-01 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7420225B1 (en) * | 2005-11-30 | 2008-09-02 | Sandia Corporation | Direct detector for terahertz radiation |
RU158770U1 (ru) * | 2015-09-16 | 2016-01-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Детектор терагерцового излучения |
CN106129135A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-11-16 | 电子科技大学 | 基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法 |
CN109686810A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-26 | 中国科学院半导体研究所 | 侧栅场效应晶体管太赫兹探测器及其制备方法 |
RU2697568C1 (ru) * | 2019-01-11 | 2019-08-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Детектор субтерагерцового излучения на основе графена |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7420225B1 (en) * | 2005-11-30 | 2008-09-02 | Sandia Corporation | Direct detector for terahertz radiation |
RU158770U1 (ru) * | 2015-09-16 | 2016-01-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Детектор терагерцового излучения |
CN106129135A (zh) * | 2016-07-20 | 2016-11-16 | 电子科技大学 | 基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹探测器及其制备方法 |
CN109686810A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-26 | 中国科学院半导体研究所 | 侧栅场效应晶体管太赫兹探测器及其制备方法 |
RU2697568C1 (ru) * | 2019-01-11 | 2019-08-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Детектор субтерагерцового излучения на основе графена |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6297233B1 (ja) | 電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ | |
CN102445711B (zh) | 一种太赫兹波探测器 | |
US5471948A (en) | Method of making a compound semiconductor having metallic inclusions | |
Kawano et al. | Highly sensitive and tunable detection of far-infrared radiation by quantum Hall devices | |
US5914497A (en) | Tunable antenna-coupled intersubband terahertz (TACIT) detector | |
EP1788637A1 (en) | Infrared detector | |
US4731640A (en) | High resistance photoconductor structure for multi-element infrared detector arrays | |
WO2003092047A2 (en) | THz DETECTION EMPLOYING MODULATION DOPED QUANTUM WELL DEVICE STRUCTURES | |
Otteneder et al. | Giant terahertz photoconductance of quantum point contacts in the tunneling regime | |
US20200309602A1 (en) | Epitaxial Graphene Quantum Dots for High-Performance Terahertz Bolometers | |
Han et al. | High performance solar-blind ultraviolet photo detector based on mixed-phase MgZnO thin film with different interfaces deposited by PLD method | |
RU2782707C1 (ru) | Терагерцевый болометр на горячих электронах | |
CN104422517A (zh) | 太赫兹波频谱检测器 | |
Cates et al. | A concept for a tunable antenna-coupled intersubband terahertz (TACIT) detector | |
US5332911A (en) | Semiconductor component with adiabatic transport in edge channels | |
Shaikhaidarov et al. | Detection of coherent terahertz radiation from a high-temperature superconductor Josephson junction by a semiconductor quantum-dot detector | |
CN113540260A (zh) | 一种太赫兹探测器 | |
Michalczewski et al. | High operating temperature LWIR and VLWIR InAs1− xSbx optically immersed photodetectors grown on GaAs substrates | |
US9356170B2 (en) | THz distributed detectors and arrays | |
Qu et al. | High sensitivity of room-temperature sub-terahertz photodetector based on In0. 53Ga0. 47As material | |
USH95H (en) | Heterojunction D- (or A+) millimeter and submillimeter wave detector | |
Bandara et al. | Quantum well infrared photodetectors for low background applications | |
Rogalski | Far-infrared semiconductor detectors and focal plane arrays | |
Yavorskiy et al. | Terahertz Sources Based on Emission from a Ga As/(Al, Ga) As Heterostructure at Cryogenic Temperatures | |
RU2816104C1 (ru) | Детектор электромагнитного излучения |