СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ФОТОДИОД ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО, ВИДИМОГО И ИНФРАКРАСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК H01L31/09 H01L31/18 

Изобретение относится к оптоэлектронике и вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании сверхширокополосных фотодетекторов в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра для оптической спектроскопии и диагностики, систем оптической связи и визуализации.

Известен способ детектирования оптического излучения видимого и ИК диапазона с помощью полупроводникового фотосопротивления или фотодиода, включающий облучение их поверхности оптическим пучком, при условии, что энергия фотона hν больше ширины запрещенной зоны Е_g в полупроводнике с собственным типом проводимости или в p-n переходе полупроводника с электронным и дырочным типом проводимости и измерении фототока, пропорционального интенсивности детектируемого оптического излучения при включении фотодиода в обратном направлении при подаче низковольтного напряжения или в фотогальваническом режиме (Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990, 668 с.).

Основным недостатком данного метода является ограниченность спектральной полосы. Например, для самых распространенных фотодиодов из кремния, используемых во всех ПЗС матричных фотодетекторах в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, ширина запрещенной зоны равна 1 эВ, поэтому длинноволновая «красная» граница составляет 1200 нм в соответствии с квантовым характером внутреннего фотоэффекта и определяемым соотношением λ (нм)≤ 1240/Е_g (эВ) (Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радио и связь. 1989. С.554). Чувствительность практически любого полупроводникового фотодиода или фотосопротивления экспоненциально уменьшается с уменьшением длины волны в УФ диапазоне вследствие сильного поглощения (10⁶ см^-1) УФ фотонов в поверхностном слое полупроводника и экспоненциального уменьшения числа фотонов, достигающих p-n перехода полупроводникового диода. Для детектирования оптического излучения в средней и дальней ИК области спектра используются узкозонные полупроводники с шириной запрещенной зоны Е_g=0.3-0.1 эВ, однако при таких незначительных энергетических ширинах Е_g очень сильно возрастает уровень темновых шумов, что требует охлаждения полупроводников жидким азотом, что сильно ограничивает область применения таких фотодетекторов.

Известен способ создания широкополосного фотодетектора на основе болометра «черного тела», включающий облучение поверхности «черного тела» оптическим излучением, поглощающим это электромагнитное излучение и преобразующим его в тепловую энергию поверхности твердого тела и измерение этой энергии, вызывающей, например, изменение сопротивления черненной поверхности болометра (Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. М.: МГУ. 1990. С.352). Спектральная область таких фотодетекторов от УФ до среднего ИК. Основным недостатком таких фотодетекторов является очень большая инерционность, составляющая секунды, что сильно ограничивает применение таких фотодетекторов, кроме того, чувствительность не превышает мВт/cм².

Известен способ создания широкополосного фотодетектора на основе нанографитовой пленки при оптическом выпрямлении (детектировании) импульсного лазерного излучения (Зонов Р.Г. Исследование взаимодействия лазерного излучения с нанографитовыми пленками для создания фотоприемника на оптическом выпрямлении. Автореферат диссертации, к.ф.-м.н. Ижевск. 2006 г.). При прохождении мощного лазерного импульса через нелинейно-оптический кристалл возникает электрическая поляризация, изменяющаяся во времени пропорционально огибающей мощности лазерного импульса на металлических электродах на торцах кристалла. Однако данный нелинейно-оптический способ может быть реализован только для лазерных импульсов с мегаваттной мощностью, так как эффективность нелинейного преобразования в средах с квадратичной нелинейностью, используемых для детектирования излучения, пропорциональна квадрату интенсивности и не может быть реализована для детектирования слабых оптических потоков с микро- и милливаттной оптической мощностью.

Наиболее близким к предлагаемому является способ создания вакуумного фотодиода, включающий облучение фотоэмиттера оптическим излучением УФ или видимого диапазона, при условии, что энергия фотона hν больше работы выхода А (в электрон-вольтах -эВ) электронов из эмиттера, представляющего металлические пленки или их сплавы и измерение фототока, пропорционального интенсивности детектируемого оптического излучения при подаче ускоряющего напряжения на анод (Фотоэмиссионные приемники излучения. Левин Г.Э., Степанов Б.М., Шефов А.С. Справочник по лазерам. Под ред. А.М. Прохорова. М.: Советское радио. 1978. Т.2, с.158-174).

Основным недостатком таких вакуумных фотодетекторов является существование красной границы фотоэффекта, вследствие того, что работа выхода А для металлов может изменяться от 6 до 1.8 электрон-вольт (ЗиС. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир, 1984. 456 с.) и поэтому максимальная длина волны, для которой наблюдается фотоэффект, определяется соотношением λ(нм)≤ 1240/А(эВ), т.е. уже в ближней инфракрасной области с длинами волн более 800 нм не наблюдается фотоэффект и соответственно нет вакуумных фотодетекторов.

Задачей изобретения является возможность создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода, позволяющего детектировать оптическое излучение в ультрафиолетовой, видимой, ближней и средней инфракрасной области спектра при использовании одного наноструктурного эмиттера с управляемой, изменением напряженности электростатического поля, «красной» границей фотоэффекта.

Поставленная задача решается тем, что в сверхширокополосном вакуумном туннельном фотодиоде, детектирующем оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующемся тем, что форма поверхности фотоэмиттера представляет 3D пространственно наноградиентную структуру с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля, расстояние между фотоэмиттером и анодом формируется в микро- или нанометровом диапазоне.

Фотодиод создан на основе матрицы диодных ячеек планарно-торцевых автоэмиссионных структур с лезвиями α-углерода.

В способе создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующемся тем, что поверхность фотоэмиттера, имеющего работу выхода А, создают в виде 3D пространственно наноградиентной структуры с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β, формируют расстояние между фотоэмиттером и анодом в микро- или нанометровом диапазоне, при этом граничная величина напряжения на аноде U_max, соответствующая максимальному туннельному фотоэмиссионному току при детектировании оптического излучения с заданной длиной волны λ, определяется из соотношения

U_max≤10⁷ (А-1240/λ)²·Z/β, (1)

где β - усиление локальной напряженности электростатического поля на эмиттере;

U_max - максимальная разность потенциала эмиттер-анод (в вольтах);

Z - расстояние эмиттер-анод в см;

А - работа выхода электронов с поверхности эмиттера (в электрон-вольтах, эВ);

1240/λ=hс/λ=hν - энергия фотона в эВ, вызывающего туннельный фотоэмиссионный ток;

λ - длина волны в нм;

h - постоянная Планка.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 изображен фрагмент фотодиода с эмиттером на основе полевой эмиссионной структуры планарно-торцевого типа с нанолезвием из α-углерода (1), анода из молибдена (2), измеренный с помощью сканирующей электронной микроскопии.

На Фиг. 2 представлена схема энергетических уровней системы «металл-вакуум» в сильном электростатическом поле при поглощении фотона с энергией hν электроном эмиттера при условии, что hν ≤ А, т.е. энергия фотона меньше работы выхода электрона из эмиттера; где: (3) - форма потенциального барьера «металл-вакуум» в сильном электростатическом поле при учете потенциала Шоттки (4).

На Фиг. 3 представлена расчетная зависимость уменьшения высоты потенциального барьера«металл-вакуум» от напряженности электростатического поля на эмиттере при значении работы выхода электронов из него, равной 5 эВ.

На Фиг. 4 представлена расчетная зависимость максимальной напряженности электростатического поля на эмиттере для различных значений работы выхода электрона из эмиттера при максимальной спектральной полосе.

На Фиг. 5 представлена экспериментальная вольт-амперная характеристика разработанного вакуумного туннельного фотодиода при лазерном облучении с длиной волны λ=473 нм (энергия фотона 2.62 эВ) углеродного наноразмерного эмиттера с работой выхода 5 эВ для двух уровней лазерной мощности, отличающихся на порядок (В и С) и темнового автоэмиссионного тока (D) от изменения ускоряющего напряжения на аноде при расстоянии эмиттер-анод 1 микрон.

На Фиг. 6 представлена экспериментальная зависимость туннельного фотоэмиссионного тока фотодиода от уровня детектируемой лазерной мощности W/W₀ с длиной волны 473 нм для трех значений ускоряющего поля при напряжении: U=21.6 (G), 30.1 (H), 39.5 V (K).

На Фиг. 7 представлена экспериментальная вольтамперная характеристика туннельного фотодиода с наноразмерным углеродным эмиттером: при облучении ИК суперлюминесцентным диодом DL-C 55153A (Denselight), длина волны 1.55 нм, энергия фотона hν=0.8 eВ, выходная мощность 2 мВт (P) и темновая автоэмиссионная характеристика (Q).

Позициями на чертежах обозначены:

1 - фотоэмиттер в виде 3D пространственно наноградиентной структуры с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β;

2 - анод диода, расположенный на расстоянии Z от граничной поверхности эмиттера;

3 - форма потенциального барьера «металл-вакуум» в сильном электростатическом поле;

4 - потенциал сил зеркального изображения (потенциал Шоттки).

Фотодиод представляет собой совокупность эмиттерных гребенок, состоящую из последовательности пространственно-периодических микролезвий с острием кромки длиной 200 нм и толщиной 20 нм с коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β не менее100-200, расстоянием между эмиттером и анодом формируется в диапазоне $$$$ 1-3 мкм, а максимальная разность потенциалов «лезвие эмиттера-анод» U_max не превышает 100 вольт при максимальной спектральной полосе детектируемого оптического излучения.

Способ осуществляется следующим образом.

Оптическое излучение, выбранное из спектрального диапазона от ультрафиолетового до инфракрасного, фокусируется на поверхность фотоэмиттера вакуумного фотодиода, как показано на Фиг.1, фотоэмиттер (1) в котором сформирован на основе 3D пространственно наноградиентной структуры заданный коэффициент усиления локальной напряженности электростатического поля β, на анод (2) подается положительное напряжение, которое изменяется от нуля до значения, не превышающего U_max в соответствии с соотношением (1), при этом возникает туннельный фотоэмиссионный ток J_Ph, экспоненциально возрастающий с ростом напряжения, устанавливается его оптимальное значение по сравнению с уровнем темнового автоэмиссионного тока, порог возникновения которого существенно выше по напряжению (см. Фиг.5, 7). Для измерения переменной составляющей туннельного фотоэмиссионного тока в электрическую цепь эмиттера включено нагрузочное сопротивление, падение напряжение на котором измеряется с помощью осциллографа, спекроанализатора или микровольтметра.

В основе способа создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода в УФ, видимой и ИК спектральной области на основе наноструктурного эмиттера лежит обнаруженный авторами туннельный фотоэффект при энергиях фотонов, существенно меньших работы выхода электрона из эмиттера, который может наблюдаться в случае формирования сильного электростатического поля в межэлектродном промежутке «эмиттер-анод». Физический механизм обнаруженного авторами туннельного фотоэффекта в сильных электростатических полях заключается в возможности управления вероятностью туннелирования неравновесных фотоэлектронов, возникающих вследствие поглощения фотонов с энергией hν и их квантовое туннелирование через потенциальный барьер «металл-вакуум» при уменьшении его высоты и ширины с помощью сильного электростатического поля при учете эффекта Шоттки (ЗиС. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984. с.456). Соответствующие расчеты изменения высоты потенциального барьера от напряженности электростатического поля представлены на Фиг. 3 и 4.

Использование предложенной модели для оценки влияния сильных электростатических полей с напряженностью в диапазоне 10⁷-10⁸ В/cм показало, что высотой и шириной потенциального барьера можно эффективно управлять, уменьшая их в несколько раз с повышением напряженности поля вплоть до режима возникновения фото- и автоэмиссионого электрического пробоя. Использование модифицированной модели полевой электронной эмиссии Фаулера-Нордгейма (Fowler R.H., Nordheim L. Electron Emission in Intense Electric Fields //Proc. Roy. Soc. Lond. 1928. A119. P. 173-181), учитывающей изменение уровня Ферми для неравновесных фотоэлектронов, позволяет получить соотношение, определяющее изменение энергетического расстояния от уровня Ферми до вершины потенциального барьера для неравновесных электронов, поглотивших энергию фотонов hν

Δφ=А- hν- (е³βU/Z)^1/2, (5)

где е - заряд электрона; β - форм-фактор усиления локальной напряженности электростатического поля; U - разность потенциалов внешнего электростатического поля на зазоре Z эмиттер-анод.

Выражение (5) позволяет оценить те значения напряженности полей F=β U/Z, соответствующих вероятности туннелирования неравновесных фотоэлектронов или равновесных автоэмиссионных электронов, стремящиеся к 1, что соответствует условию автоэмиссионного пробоя, а в случае оптического облучения эмиттера с энергией фотона hν условию фотоэмиссионного пробоя. Расчеты напряженности электростатического поля F_max=β U/Z, соответствующего максимально допустимому току пробоя от значения работы выхода эмиттера, представлены на Фиг. 3.

Результаты апробации данного способа были экспериментально протестированы на устройстве при измерении вольт-амперных фотоэмиссионных характеристик при облучении углеродного наноразменого эмиттера лазерным излучением в синей спектральной области с длиной волны излучения λ=473 нм и темновой автоэмиссионной характеристики представлены на Фиг. 5 и 6. На Фиг. 5 представлена зависимость туннельного фотоэмиссионного тока при лазерном облучении с длиной волны λ=473 нм (энергия фотона 2.62 эВ) углеродного наноразмерного эмиттера, с работой выхода 5 эВ для двух уровней лазерной мощности отличающихся на порядок (В и С) и темнового автоэмиссионного тока (D) от изменения ускоряющего напряжения на аноде вакуумного микродиода при расстоянии эмиттер анод Z=1 микрон.

Линейность туннельного фотоэмиссионного тока подтверждается экспериментальными результатами, представленными на Фиг. 6, где показана Ватт-амперная характеристика, измеренная модуляционным методом, которая близка к линейной, что свидетельствует о наблюдении однофотонного туннельного фотоэмиссионного эффекта. Нелинейность начинает проявляться лишь при уровне лазерной мощности P/P₀>0.6 (плотность оптической мощности 120 Вт/cм²). Экспериментально детектировалось оптическое светодиодное излучение УФ (380 nm) и фиолетовой областей (405 нм), светодиодное излучение ближнего ИК диапазона с длинами волны 840 и 950 nm (фотодиод АЛ-107).

Детектирование ИК излучения представлено на Фиг. 7, где представлены исследования туннельного фотоэмиссионного тока при облучении углеродного наноструктурированного эмиттера излучением суперлюминесцентного диода с λ=1550 нм с одномодовым световодным выходом с диаметром сердцевины волокна 9 мкм. Из результатов, представленных на Фиг. 7, видно, что потенциал появления порогового туннельного фототока почти совпадает с порогом возникновения темнового автоэмиссионного тока. Однако с повышением напряжения U уровень фототока нелинейно возрастает. Поэтому рабочую точку фотодетектора необходимо выбирать при U, близких к предпробойному, а для устранения влияния автоэмиссионного тока - использовать режим модуляции оптического излучения. Потенциально такой детектор может регистрировать ИК излучение с длиной волны вплоть до 50 мкм, при котором энергия фотонов будет соизмерима с kT при комнатной температуре, а при охлаждении эмиттера до температуры жидкого азота (77 К) возможно регистрировать ИК излучение с длиной волны до 150 мкм.

Изобретение относится к оптоэлектронике и вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании сверхширокополосных фотодетекторов в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра для оптической спектроскопии и диагностики, систем оптической связи и визуализации. Cверхширокополосный вакуумный туннельный фотодиод, детектирующий оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что форма поверхности фотоэмиттера представляет 3D пространственно наноградиентную структуру с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля, расстояние между фотоэмиттером и анодом формируется в микро- или нанометровом диапазоне. Фотодиод создан на основе матрицы диодных ячеек планарно-торцевых автоэмиссионных структур с лезвиями α-углерода. Также предложен способ создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что поверхность фотоэмиттера, имеющего работу выхода А, создают в виде 3D пространственно наноградиентной структуры с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β, формируют расстояние между фотоэмиттером и анодом в микро- или нанометровом диапазоне, при этом граничная величина напряжения на аноде U_max, соответствующая максимальному туннельному фотоэмиссионному току при детектировании оптического излучения с заданной длиной волны λ, определяется из предложенного соотношения. Изобретение обеспечивает возможность создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода, позволяющего детектировать оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области при использовании одного наноструктурного эмиттера с управляемой, изменением напряженности электростатического поля, «красной» границей фотоэффекта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сверхширокополосный вакуумный туннельный фотодиод, детектирующий оптическое излучение в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что форма поверхности фотоэмиттера представляет 3D пространственно наноградиентную структуру с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля, расстояние между фотоэмиттером и анодом формируется в микро- или нанометровом диапазоне.

2. Фотодиод по п.1, отличающийся тем, что он создан на основе матрицы диодных ячеек планарно-торцевых автоэмиссионных структур с лезвиями α-углерода.

3. Способ создания сверхширокополосного вакуумного туннельного фотодиода в УФ, видимой и ИК спектральной области, характеризующийся тем, что поверхность фотоэмиттера, имеющего работу выхода А, создают в виде 3D пространственно наноградиентной структуры с заданным коэффициентом усиления локальной напряженности электростатического поля β, формируют расстояние между фотоэмиттером и анодом в микро- или нанометровом диапазоне, при этом граничная величина напряжения на аноде U_max, соответствующая максимальному туннельному фотоэмиссионному току при детектировании оптического излучения с заданной длиной волны λ, определяется из соотношения
U_max≤10⁷ (А- 1240/λ)²·Z/β (1)
где:
β - усиление локальной напряженности электростатического поля на эмиттере;
U_max - максимальная разность потенциала эмиттер-анод (в вольтах);
Z - расстояние эмиттер-анод в см;
А - работа выхода электронов с поверхности эмиттера (в электрон-вольтах, эВ);
1240/λ=hс/λ=hν - энергия фотона в эВ, вызывающего туннельный фотоэмиссионный ток;
λ - длина волны в нм;
h - постоянная Планка.