Способ определения знака циркулярной поляризации света и детектор для его осуществления Российский патент 2018 года по МПК G01J4/04 

Группа изобретений относится к полупроводниковой оптоэлектронике, функционирующей на основе проявления магнитного циркулярного дихроизма, и может быть использована для определения знака циркулярной поляризации света при решении широкого круга практических задач поляриметрии.

Уровень техники в области группы методов определения знака циркулярной поляризации света, основанных на воздействии циркулярно поляризованным светом на чувствительный к смене знака циркулярной поляризации света оптически активный элемент, физический механизм работы которого базируется на латеральных гальванических явлениях (см. изложение указанного механизма в статье на англ. яз. авторов S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, S.N. Danilov, J. Eroms, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl «Conversion of Spin into Directed Electric Current in Quantum Wells» - Physical Review Letters, 2001, v. 86, p. 4358), характеризуется известным использованием в качестве указанного активного элемента кристалла ниобата лития (см. статью авторов Казанского П.Г., Прохорова A.M. и Черных В.А. «Прямое обнаружение циркулярного фототока в ниобате лития» - Письма в ЖЭТФ, 1985, т. 41, в. 9, с. 370-372), пленочную полупроводниковую гетероструктуру GaAs/AlGaAs представляющую собой квантовую яму (см. статью на англ. яз. авторов S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, S.N. Danilov, J. Eroms, W. Wegscheider, D. Weiss, W. Prettl «Conversion of Spin into Directed Electric Current in Quantum Wells» - Physical Review Letters, 2001, v. 86, p. 4358) и серебро-палладиевую резистивную пленку (см. патент РФ №2452924, G01J 4/04, 2012).

Общим недостатком этих методов является отсутствие возможности эксплуатационной настройки изготовленного оптически активного элемента, заключающейся в подстройке его чувствительности к смене определяемого знака циркулярной поляризации света под различные задачи поляриметрии при определении знака циркулярной поляризации света.

В связи с отсутствием в функционировании детекторов -указанных оптически активных элементов проявления магнитного циркулярного дихроизма группа аналогов, включающих основанные на использовании этих элементов способы определения знака циркулярной поляризации света и детекторы для их осуществления, включает аналоги, отдаленные от предлагаемого способа определения знака циркулярной поляризации света и детектора для его осуществления по физическому механизму, на котором основана предлагаемая группа изобретений и некорректные для сравнения с предлагаемой группой изобретений, что явилось причиной раскрытия ее сущности без прототипа.

Технический результат от использования предлагаемой группы изобретений - обеспечение возможности эксплуатационной настройки изготовленного оптически активного элемента, заключающейся в подстройке его чувствительности к смене определяемого знака циркулярной поляризации света, за счет выполнения оптически активного элемента в виде МДП наноструктуры, состоящей из поверхностного металлического слоя на основе CoPt, промежуточного диэлектрического слоя и полупроводникового слоя на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs и функционирующей на основе проявления магнито-циркулярного дихроизма в указанном металлическом слое и осуществления указанной эксплуатационной настройки путем изменения намагниченности последнего в изменяемом внешнем магнитном поле.

Кроме того, предлагаемая группа изобретений расширяет актуальный технологический арсенал современных

полупроводниковых средств для определения знака циркулярной поляризации света при решении широкого круга практических задач поляриметрии.

Для достижения указанного технического результата предлагаются

способ определения знака циркулярной поляризации света путем воздействия последним на снабженный двумя электродами фоторезистивный элемент, чувствительный к смене знака циркулярной поляризации света, измерения электрического сопротивления между электродами и определения знака циркулярной поляризации света по совпадению величины измеренного сопротивления с величиной предварительно откалиброванного под определенный знак циркулярной поляризации света сопротивления между электродами этого же фоторезистивного элемента, а в качестве упомянутого фоторезистивного элемента используют МДП наноструктуру, состоящую из металлического слоя на основе CoPt, диэлектрического слоя на основе Al₂O₃ и/или SiO₂ и полупроводникового слоя на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs, сформированных на непроводящей подложке, и функционирующую на основе проявления магнито-циркулярного дихроизма в указанном металлическом слое;

и детектор для его осуществления, представляющий собой снабженный двумя электродами фоторезистивный элемент, выполненный в виде МДП наноструктуры, содержащей поверхностный слой Co_0,45Pt_0,55 толщиной 8-16 нм, нанесенный электронно-лучевым испарением на слой комбинированного диэлектрика Al₂O₃/ SiO₂/ Al₂O₃ общей толщиной 50-200 нм, полученный электронно-лучевым испарением на поверхности гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs толщиной 20-200 нм при x=0.1-0.3, и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs толщиной 100-500 нм, сформированных газофазной эпитаксией при 550-600°С на подложке полу изолирующего GaAs.

Известные МДП наноструктуры, состоящие из поверхностного слоя ферромагнитного материала, нанесенного на полупроводниковую гетероструктуру и обеспечивающие определение знака циркулярной поляризации света (см., например, статьи на англ. яз. авторов Р. Renucci, V.G. Truong, Н. L. Lombez, P.H. Binh, Т. Amand, J.M. George, X. Marie «Spin-polarized electroluminescence and spin-dependent photocurrent in hybrid semiconductor/ferromagnetic heterostructures: An asymmetric problem» - Physical Review B, 2010, v. 82, p. 195317 и авторов R. Farshchi, M. Ramsteiner, J. Herfort, A. Tahraoui, H.T. Grahn «Optical communication of spin information between light emitting diodes» - Applied Physics Letters, 2011, v. 98, p. 162508), не противоречат требованию изобретательского уровня предлагаемой группы изобретений в связи с тем, что они функционируют за счет переноса тока перпендикулярно слоям структуры без задействования магнитоциркулярного дихроизма поверхностного слоя ферромагнитного материала, т.к. величина эффекта магнитоциркулярного дихроизма в указанных структурах мала и не оказывает заметного влияния на регистрируемый фототок.

Кроме того, указанный перенос тока перпендикулярно слоям структуры может затруднить интеграцию указанной МДП структуры, функционирующей в качестве такого детектора, в полупроводниковую микросхему, поскольку планарная технология создания полупроводниковых интегральных схем подразумевает создание слоев с преимущественно плоскостным переносом тока.

Известная гетеронаноструктура In(Ga)As/GaAs с контактным слоем Co_0,45Pt_0,55 и промежуточным диэлектрическим слоем Al₂O₃ (см. статью авторов Здоровейщева А.В., Дорохина М.В., Деминой П.Б., Кудрина А.В., Вихровой О.В., Ведя М.В., Данилова Ю.А., Ерофеевой И.В., Крюкова Р.Н. и Николичева Д.Е «Ферромагнитный инжектор CoPt в светоизлучающих диодах Шоттки на основе наноразмерных структур InGaAs/GaAs» - Физика и техника полупроводников, 2015, в. 12, с. 1649) имеет иное назначение (в качестве излучающего диода, выполненного на основе иной гетероструктуры с квантовой ямой In(Ga)As/GaAs и соответствующими ей иными толщинами слоев In(Ga)As и GaAs) без указания на возможность функционирования в качестве детектора с поверхностным слоем Co_0,45Pt_0,55 со свойствами магнитоциркулярного дихроизма, который невозможен в рамках раскрытия в указанной статье на основе латеральных гальванических явлений и также не противоречит требованию изобретательского уровня предлагаемой группы изобретений.

На фиг. 1 представлена схема установки для обоснования работоспособности предлагаемой группы изобретений и подстройки чувствительности предлагаемого детектора в составе этой группы к смене определяемого знака циркулярной поляризации света; на фиг. 2 - схема предлагаемого детектора и на фиг. 3 - зависимость степени изменения величины интенсивности пропускаемого света, связанной с магнитоциркулярным дихроизмом поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 детектора на фиг. 2 от внешнего магнитного поля.

Установка для обоснования работоспособности предлагаемой группы изобретений и эксплуатационной предлагаемого детектора в составе этой группы (см. фиг. 1) содержит источник света 1 (галогенная лампы накаливания) и установленные на оптическом пути света из источника 1 монохроматор 2 (МДР-23), оптомеханический модулятор 3 (OCV-6500F), линейный поляризатор 4 (поляризатор Глана-Тейлора), четвертьволновая пластинка 5 (ахроматическая фазовая пластинка на четверть длины волны), зеркало 6 (плоское металлическое зеркало), чувствительный к смене знака циркулярной поляризации света детектор 7. Кроме того, в состав этой установки входят регулируемый электромагнит 8, и подключенные к электродам 11 детектора 7 источник постоянного тока 9 (Keithley 2400) и селективный вольтметр 10 (Stanford SR830). Причем электромагнит 8 предусматривает возможность подстроечной калибровки детектора 7 в результате изменения его намагниченности во внешнем магнитном поле.

При этом детектор 7 (см. фиг. 2) представляет собой снабженный двумя электродами 11 фоторезистивный элемент, выполненный в виде МДП наноструктуры, содержащей поверхностный слой Co_0,45Pt_0,55 12 толщиной 8-16 нм, нанесенный электронно-лучевым испарением на слой комбинированного диэлектрика Al₂O₃/SiO₂/Al₂O₃ 13 общей толщиной 50-200 нм, полученный электронно-лучевым испарением на поверхности гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs 14 толщиной 20-200 нм при x=0.1-0.3, и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs 15 толщиной 100-500 нм, сформированных газофазной эпитаксией при 550-600°С на подложке 16 полуизолирующего GaAs.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Циркулярно поляризованный свет направляют перпендикулярно на поверхность слоя Co_0,45Pt_0,55 12 детектора 7 и измеряют с помощью источника постоянного тока 9 и селективного вольтметра 10 электрическое сопротивление между электродами 11 гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs 14 и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs 15. После чего величину измеренного сопротивления сравнивают с величиной предварительно откалиброванного под определенный знак циркулярной поляризации света сопротивления между электродами этого же фоторезистивного элемента и при совпадении в пределах 0.1% погрешности судят об определяемом знаке циркулярной поляризации света.

Для подготовки предлагаемого детектора в составе предлагаемой группы изобретений к работе и подстройки его чувствительности к смене определяемого знака циркулярной поляризации света из источника 1 направляют свет через монохроматор 2, оптомеханический модулятор 3, линейный поляризатор 4 и четвертьволновую (λ/4) пластину 5 (угловое положение которой задает знак циркулярной поляризации света) перпендикулярно на поверхность слоя Co_0,45Pt_0,55 12 детектора 7 и измеряют с помощью источника постоянного тока 9 и селективного вольтметра 10 электрическое сопротивление между электродами 11 гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs 14 и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs 15 и фиксируют указанное сопротивление, как откалиброванное под знак циркулярной поляризации света при данной длине волны и мощности света, задаваемый выбранным угловым положением четвертьволновой пластины 5 и определенный как положительный знак - знак правой циркулярной поляризации (указанное измерение повторяют для получения интервала откалиброванных величин указанного сопротивления в рабочем интервале длин волн и мощности света).

После чего в результате изменения углового положения четвертьволновой пластины 5, настроенного на изменение знака циркулярной поляризации света, формируют свет с измененным знаком циркулярной поляризации.

Затем повторяют измерение электрического сопротивления между электродами 11, соответствующего воздействию на поверхность слоя Co_0,45Pt_0,55 12 детектора 7 света с измененным знаком циркулярной поляризации и фиксируют это сопротивление, как откалиброванное (при этом же интервале длины волны и мощности света) под измененный и определенный как отрицательный знак циркулярной поляризации света - знак левой циркулярной поляризации света.

Для подстройки чувствительности детектора 7 к смене определяемого знака циркулярной поляризации света в результате изменения намагниченности его поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 12 в изменяемом внешнем магнитном поле используют регулируемый электромагнит 8.

Функционирование детектора 7 базируется на физическом механизме магнитного циркулярного дихроизма поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 12 (см. на фиг. 3 иллюстрирующую возможность изменения намагниченности поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 12 детектора 7 во внешнем магнитном поле кривую зависимости величины МЦД - степени изменения величины интенсивности пропускаемого света, связанной с магнитоциркулярным дихроизмом поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 детектора 7, от напряженности внешнего магнитного поля,), эффект которого достаточен в связи с его увеличенными ферромагнитными свойствами в сравнении с другими ферромагнитными поверхностными слоями, в частности такими, как Fe (см. статью на англ. яз. авторов Т. Taniyama, G. Wastlbauer, A. Ionescu, М. Tselepi, J.A.C. Bland «Spin-selective transport through Fe/AlOx/GaAs(100) interfaces under optical spin orientation» Physical Review B, 2003, v. 68, p. 134430).

Слой In_xGa_1-xAs 14 не легируется в процессе выращивания, в результате чего обладает значительным слоевым сопротивлением 50-200 кОм/кВ, и, следовательно, высокой фоточувствительностью.

Величина степени изменения величины интенсивности пропускаемого света, связанной с магнитоциркулярным дихроизмом поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 детектора 7, составляющая порядка 1,5% (см. фиг. 3) приводит к хорошо регистрируемому изменению сопротивления гетероструктуры InGaAs/GaAs при облучении детектора 7 светом с левой и правой циркулярной поляризацией.

Пример проведения предлагаемого способа определения знака циркулярной поляризации света и подтверждения работоспособности предлагаемого детектора 7:

при облучении поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 детектора 7 (представляющий собой фоторезистивный элемент, выполненный в виде МДП наноструктуры, содержащей поверхностный слой Co_0,45Pt_0,55 12 толщиной 8 нм, нанесенный электронно-лучевым испарением на слой комбинированного диэлектрика Al₂O₃/SiO₂/Al₂O₃ 13 общей толщиной 170 нм, полученный электроннолучевым испарением на поверхности гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs 14 толщиной 200 нм при x=0.11, и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs 15 толщиной 500 нм, сформированных газофазной эпитаксией при 600°С на подложке 16 полуизолирующего GaAs толщиной 400 мкм) тестовым монохроматическим светом от Не - Ne лазера с длиной волны 0,6328 мкм и мощностью 1 мВт с правой циркулярной поляризацией измеряют электрическое сопротивление между электродами 11, составляющее 95 кОм и которое совпадает с предварительно откалиброванной величиной сопротивления, содержащейся в настоящем примере в соответствующем положительному знаку циркулярной поляризации света интервале предварительно откалиброванных величин сопротивления 85-140 кОм при интервале длине волны 0,6-1,1 мкм и мощности света 100 мкВт - 2 мВт (или представляющей собой единичную величину в случае предварительной калибровки сопротивления при заданных единичных величинах длины волны и мощности облучающего света);

при облучении этого же поверхностного слоя Co_0,45Pt_0,55 детектора 7 таким же монохроматическим светом с левой циркулярной поляризацией измеряют электрическое сопротивление между электродами 11, составляющее 93,6 кОм, которое совпадает с предварительно откалиброванной величиной сопротивления, содержащейся в настоящем примере в соответствующем отрицательному знаку циркулярной поляризации света интервале предварительно откалиброванных величин сопротивления 83,7-137,9 кОм при том же интервале длин волны и мощности света (или составляющей единичную величину в случае предварительной калибровки сопротивления при заданных единичных величинах длины волны и мощности облучающего света).

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения знака циркулярной поляризации света. Знак циркулярной поляризации света определяется путем воздействия света на снабженный двумя электродами фоторезистивный элемент, чувствительный к смене знака циркулярной поляризации, измерения электрического сопротивления между электродами и определения знака циркулярной поляризации света по совпадению величины измеренного сопротивления с величиной предварительно откалиброванного сопротивления между электродами этого же фоторезистивного элемента. В качестве фоторезистивного элемента используют МДП наноструктуру, состоящую из металлического слоя на основе CoPt, диэлектрического слоя на основе Al₂O₃ и/или SiO₂ и полупроводникового слоя на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs, сформированных на непроводящей подложке. Технический результат заключается в обеспечении возможности подстройки чувствительности оптически активного элемента к смене определяемого знака поляризации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения знака циркулярной поляризации света путем воздействия последним на снабженный двумя электродами фоторезистивный элемент, чувствительный к смене знака циркулярной поляризации света, измерения электрического сопротивления между электродами и определения знака циркулярной поляризации света по совпадению величины измеренного сопротивления с величиной предварительно откалиброванного под определенный знак циркулярной поляризации света сопротивления между электродами этого же фоторезистивного элемента, а в качестве упомянутого фоторезистивного элемента используют МДП наноструктуру, состоящую из металлического слоя на основе CoPt, диэлектрического слоя на основе Al₂O₃ и/или SiO₂ и полупроводникового слоя на основе гетероструктуры InGaAs/GaAs, сформированных на непроводящей подложке, и функционирующую на основе проявления магнитоциркулярного дихроизма в указанном металлическом слое.

2. Детектор для определения знака циркулярной поляризации света в соответствии со способом по п. 1, представляющий собой снабженный двумя электродами фоторезистивный элемент, выполненный в виде МДП наноструктуры, содержащей поверхностный слой Co_0,45Pt_0,55 толщиной 8-16 нм, нанесенный электронно-лучевым испарением на слой комбинированного диэлектрика Al₂O₃/SiO₂/Al₂O₃ общей толщиной 50-200 нм, полученный электронно-лучевым испарением на поверхности гетероструктуры, состоящей из верхнего слоя In_xGa_1-xAs толщиной 20-200 нм при х=0.1-0.3 и нижнего нелегированного буферного слоя GaAs толщиной 100-500 нм, сформированных газофазной эпитаксией при 550-600°С на подложке полуизолирующего GaAs.