ДЕТЕКТОР ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР ВИСМУТА И СУРЬМЫ Российский патент 2023 года по МПК H10N10/00 H01L31/113 H01L31/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к детекторам терагерцевого (ТГц) излучения (с частотой 0,1÷10 ТГц или длиной волны 30÷3000 мкм), и может быть использовано для широкополосного детектирования импульсного или непрерывного ТГц излучения или измерения его мощности.

Предшествующий уровень техники

Развитие многих сфер ТГц фотоники, таких как беспроводные коммуникации, системы визуализации, бесконтактной диагностики и контроля качества в медицине, фармацевтике, пищевой промышленности и системах безопасности, требует реализации устройств детектирования ТГц излучения, которые работали бы при комнатной температуре, в широкополосном режиме, обеспечивали бы детектирование как непрерывного, так и импульсного ТГц излучения.

Одним из способов эффективного решения данной проблемы является применение детекторов на основе термоэлектрических материалов с высокой чувствительностью к ТГц излучению в широком диапазоне частот. Такие детекторы имеют простую структуру и могут работать при комнатной температуре [Bai J. et al. A terahertz photo-thermoelectric detector based on metamaterial absorber / Optics Communications. - 2021. - T. 497. - C. 127184].

Среди патентной литературы известны детекторы на основе полевых транзисторов, каналом которых является сетка углеродных нанотрубок, а в качестве основного механизма детектирования рассматривается широкополосное возбуждение затухающих плазменных волн, при этом в наблюдаемый отклик вносят вклад термоэлектрический и диодный эффекты [RU 194869, RU 186169]. Заявленный рабочий диапазон частот таких детекторов составляет 0,1÷2 ТГц, рабочий диапазон температур 4,2÷300 K, чувствительность не хуже 30 В/Вт на частоте 0,129 ТГц, эквивалентная мощность шума не хуже 1 нВт⋅Гц^-1/2. Таким образом, такие детекторы могут работать в широкополосном режиме, но в низкочастотной области ТГц диапазона.

Также известен термоэлектрический детектор излучения ТГц диапазона частот на базе антенны и полевого транзистора с каналом из тонких пленок черного фосфора, легированного селеном [Viti L. et al. Thermoelectric terahertz photodetectors based on selenium-doped black phosphorus flakes // Nanoscale. - 2019. - T. 11. - №4. - C. 1995-2002]. Возможность детектирования с его использованием продемонстрирована на частоте 3,4 ТГц при комнатной температуре, чувствительность составляет 3 В/Вт, эквивалентная мощность шума 7 нВт⋅Гц^-1/2. Оптимальная толщина чувствительного элемента составляет 30÷40 нм.

Известен тип термоэлектрических детекторов ТГц излучения на основе асимметричной антенны и полевого транзистора с каналом из нанонити с последовательно расположенными квантовыми точками InAs/InAs₀,₃P_0,7, обладающими различной шириной запрещенной зоны [Asgari М. et al. Quantum-Dot Single-Electron Transistors as Thermoelectric Quantum Detectors at Terahertz Frequencies // Nano Letters. - 2021. - T. 21. - №20. - C. 8587-8594]. В указанной работе геометрия антенны и параметры детектора подстроены для детектирования излучения частотой 0,6 ТГц, которое возможно лишь при сверхнизких температурах и было исследовано при температуре 4,2 K. Такой детектор обладает чувствительностью 55 мкА/Вт, эквивалентной мощностью шума 8 пВт⋅Гц^-1/2, временем отклика 1÷10 нс, но сложен в изготовлении и не может функционировать при комнатной температуре, а работает лишь в узком диапазоне частот.

В работе [Szakmany G. P. et al. THz wave detection by antenna-coupled nanoscale thermoelectric converters // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2017. -T. 7. - №.5. - C. 582-585] представлен термоэлектрический ТГц детектор на базе золотой дипольной антенны с узкой центральной частью, нагрев которой ТГц излучением приводит к появлению напряжения на нанотермопарах, расположенных вплотную к центру антенны, при этом увеличение количества последовательно соединенных нанотермопар приводит к увеличению чувствительности такого детектора. Представленный в указанной работе детектор рассчитан на узкополосное детектирование на частоте 0,6 ТГц при комнатной температуре и характеризуется высокой поляризационной чувствительностью.

Работа [Shabanov A. et al. Optimal asymmetry of transistor-based terahertz detectors // Applied Physics Letters. - 2021. - T. 119. - №.16. - C. 163505] посвящена оптимизации чувствительности ТГц детекторов на основе графеновых асимметричных полевых транзисторов с использованием термоэлектрического эффекта, но лишь на частоте 0.13 ТГц, соответствующей геометрии связанной антенны. Возможность детектирования в указанной работе представлена при температурах 77 и 300 K, а чувствительность в обоих случаях достигает 9 В/Вт.

Авторами патента [US 10969335] заявлена возможность детектирования ТГц излучения с использованием термоэлектрического эффекта в качестве основного механизма детектирования: в структуре детектора к сетке углеродных нанотрубок с двух противоположных сторон подсоединяются электроды с различной теплопроводностью. Хотя упомянута теоретическая возможность поглощения углеродными нанотрубками излучения от сверхнизких до ультрафиолетовых частот, в указанном патенте показана возможность детектирования на фиксированных частотах: 0,14 ТГц, 1,4 ТГц, 14 ТГц, 29 ТГц, 30 ТГц, заявлена эквивалентная мощность шума не хуже 700 пВт⋅ Гц^-1/2.

В работе [Не X. et al. Carbon nanotube terahertz detector //Nano letters. - 2014. - T. 14. - №.7. - C. 3953-3958] представлен похожий термоэлектрический ТГц детектор на основе контакта легированных высокоориентированных длинных углеродных нанотрубок n- и р-типа, расположенных параллельно друг другу и соединенных с золотыми электродами. Возможность детектирования продемонстрирована при комнатной температуре для фиксированных частот 1,39 ТГц, 2,52 ТГц и 3,11 ТГц, чувствительность составляет 2,5 В/Вт, эквивалентная мощность шума не хуже 20 нВт⋅Гц^-1/2, однако следует отметить повышенную сложность изготовления такого детектора. Коэффициент Зеебека составляет 71÷75 мкВ/K.

В работе [Ahmad Н., Suzuki D., Kawano Y. Strain-induced photo-thermoelectric terahertz detection / /AIP Advances. - 2018. - T. 8. - №11. - C. 115002] представлен термоэлектрический детектор на базе деформированной полоски из углеродных нанотрубок, соединенной с золотыми электродами, при этом увеличение коэффициента Зеебека до 161 мкВ/K по сравнению с аналогичной плоской структурой (36 мкВ/K) связывается с величиной деформации полоски, приводящей к переходу состояния нанотрубок от металлического к полупроводниковому. Измерения в данной работе проводились лишь на фиксированных частотах 1,4 ТГц и 29 ТГц при комнатной температуре. Толщина слоя углеродных нанотрубок составляет 40÷150 мкм.

Кроме того, известен тип детекторов на основе графена [US 10084102] [Cai X. et al. Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene // Nature nanotechnology. - 2014. - T. 9. - №10. - C. 814-819], где в качестве основного механизма детектирования рассматривается фототермоэлектрический эффект, усиливаемый за счет возбуждения ТГц излучением плазменных волн в микрополосках графена. Однако, такое детектирование осуществляется лишь в узком диапазоне частот для квазимонохроматического ТГц излучения, поскольку плазменная частота в микрополосках графена согласовывается с частотой падающего ТГц излучения за счет варьирования ширины таких полосок и за счет контроля плотности носителей заряда путем воздействия постоянным электрическим полем. Кроме того, необходима четкая пространственная ориентация детектора относительно поляризации падающих на него ТГц волн для обеспечения возможности возбуждения плазмонного резонанса. Данный детектор работает при комнатной температуре и характеризуется эквивалентной мощностью шума 1,1 нВт⋅Гц_-^1/2 и чувствительностью свыше 10 В/Вт (по отношению к поглощенной мощности) при частоте детектируемого излучения 2,52 ТГц, имеет время отклика 110 пс. В указанной работе упомянута возможность широкополосного (интегрального) детектирования в диапазоне частот 0÷2 ТГц, но не представлена зависимость чувствительности от частоты ТГц излучения.

Известен похожий тип ТГц термоэлектрических детекторов [CN 107482109 A] на основе одиночной асимметричной графеновой дипольной антенны с резонансной полосой частот 1÷3 ТГц, соединенной с омическими контактами из материалов с различной теплопроводностью (Au, Ti). Аналогичный детектор представлен в работе [Tielrooij K. J. et al. Highly sensitive, ultrafast photo-thermoelectric graphene thz detector // 2018 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). - IEEE, 2018. - C. 1-3], где применяется соединение двух легированных листов графена, инкапсулированного гексагональным нитридом бора (hBN), а детектируемый диапазон частот соответствует 2÷4 ТГц, эквивалентная мощность шума не хуже 200 пВт⋅Гц^-1/2, время отклика менее 40 нс (коэффициент Зеебека для графена до 100 мкВ/K). Другие аналогичные детекторы на базе графена представлены в работе [Viti L. et al. Thermoelectric graphene photodetectors with sub-nanosecond response times at terahertz frequencies // Nanophotonics. - 2021. - T. 10. - №1. - C. 89-98] для частоты 3,4 ТГц (эквивалентная мощность шума до 120 пВт⋅Гц^-1/2, чувствительность до 10÷20 В/Вт, работа при комнатной температуре), в работе [Tong J. et al. Antenna enhanced graphene THz emitter and detector //Nano Letters. - 2015. -T. 15. - №.8. - C. 5295-5301] для частоты 1,9 ТГц (эквивалентная мощность шума до 1,7 нВт⋅Гц^-1/2, чувствительность до 4,9 В/Вт, работа при комнатной температуре), в работе [Liu С.et al. Towards sensitive terahertz detection via thermoelectric manipulation using graphene transistors //NPG Asia Materials. - 2018. -T. 10. - №4. - C. 318-327] для частоты 0,12 ТГц (эквивалентная мощность шума до 100 пВт⋅Гц^-1/2, чувствительность до 280 В/Вт, работа при комнатной температуре), в работе [Bauer М. et al. The potential for sensitivity enhancement by the thermoelectric effect in carbon-nanotube and graphene Tera-FETs // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2015. - T. 647. - №1. - C. 012004] для частоты 0,6 ТГц (эквивалентная мощность шума до 515 пВт⋅Гц^-1/2, работа при комнатной температуре). Такие детекторы работают лишь в относительно нешироком частотном диапазоне, определяемом геометрией антенны и свойствами использованных в ней материалов.

Известен другой тип ТГц термоэлектрических детекторов [CN 111854941 A], где графен выступает в роли поглотителя ТГц волн, в то время как в качестве термоэлектрических материалов выступают цирконат-титанат свинца, танталат лития, ниобат лития, нитрид галлия и нитрат цезия. Описанный в указанном патенте способ изготовления (многослойная структура со сверхтонкими слоями графена на подложке, тонкими слоями микрочастиц, термоэлектрического материала и электродами) является технологически сложным и потому требует высоких затрат.

Известен тип ТГц термоэлектрических детекторов на базе монокристаллов перовскита MAPbl₃ (золотой и серебряный электроды подключаются к двум противоположным сторонам монокристалла) с антиотражающим покрытием на базе двумерного перовскита, которые также работают при комнатной температуре [Li J. et al. Enhanced room-temperature terahertz detection and imaging derived from anti-reflection 2D perovskite layer on MAPbl₃ single crystals // Nanoscale. - 2022. - T. 14. - №.16. - C. 6109-6117], характеризуется эквивалентной мощностью шума менее 2,16 нВ⋅тГц^-1/2, чувствительностью 88,8 мкА/Вт. Однако, возможность детектирования с использованием указанного материала продемонстрирована лишь для частоты 0,1 ТГц в указанной работе.

В работе [Bai J. et al. A terahertz photo-thermoelectric detector based on metamaterial absorber // Optics Communications. - 2021. - T. 497. - C. 127184] представлен тип термоэлектрических ТГц детекторов на основе термопары из золота и висмута, в месте соединения которых расположена метаповерхность, являющаяся селективным поглотителем ТГц излучения на резонансной частоте 1 ТГц. Указанный детектор характеризуется эквивалентной мощностью шума 6,6 мкВтГц^-1/2, чувствительностью 35 мВ/Вт. Несмотря на возможность работы при комнатной температуре, данная конфигурация не предназначена для широкополосного детектирования ТГц излучения.

В связи с вышесказанным, в настоящее время актуальной задачей является разработка детектора импульсного и непрерывного ТГц излучения на основе термоэлектрического материала, функционирующего при комнатной температуре, который обеспечивает широкополосное детектирование во всем ТГц диапазоне частот (0.1÷10 ТГц), имея при этом простую конструкцию.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка компактного устройства, обеспечивающего детектирование как непрерывного, так и импульсного ТГц излучения в диапазоне частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц при комнатной температуре.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, состоит в обеспечении возможности высокочувствительного детектирования непрерывного и импульсного ТГц излучения мощностью до 500 мВт при температуре от -10°С до +50°С в диапазоне частот 0,1÷10 ТГц с чувствительностью не менее 30 мВ/Вт, эквивалентной мощностью шума не хуже 0,15 нВт⋅Гц, временем отклика не более 20 мкс, частотой модуляции 1÷40 Гц.

Основными элементами устройства являются линза, термоэлектрические ветви на основе тон ко плен очного термоэлектрического материала и плата усилителя, соединенная с электродами на обоих концах змеевика.

Устройство действует следующим образом: импульсное или непрерывное ТГц излучение попадает на чувствительный элемент, выполненный в виде термоэлектрических ветвей на основе тонких пленок твердого раствора висмут-сурьмы и подключенный с двух концов к электродам (контактам), и вызывает его неравномерный нагрев, в результате чего возникает термо-ЭДС (фототермоэлектрический эффект), и значение разности потенциалов усиливается посредством платы усиления и передается на внешний интерфейс для считывания внешним устройством измерения напряжения.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в структуре детектора используется термоэлектрический материал с высокой чувствительностью к излучению ТГц диапазона частот, а также за счет отсутствия резонансных элементов, таких как антенны и метаповерхности, использование которых приводило бы к сужению спектра детектируемого излучения до определенного диапазона частот. В качестве чувствительного термоэлектрического элемента предлагается использовать термоэлектрические ветви из тонкой пленки твердого раствора висмут-сурьмы Bi_1-xSb_x.

Перечень фигур, чертежей

Изобретение поясняется схематическим чертежом, представленном на фиг. 1.

При этом, на:

фиг. 2 представлен эскиз корпуса детектора ТГц излучения;

фиг. 3 представлена блок-схема платы усиления, используемой для увеличения эффективности детектирования ТГц излучения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлена схема широкополосного детектора ТГц излучения. Согласно этой схеме термоэлектрический элемент 6 размещен внутри прямоугольного корпуса 1, в центре которого выполнена апертура 5 для пропускания ТГц излучения на поверхность группы термоэлектрических ветвей, последовательно составленных из узких полосок висмут-сурьмы и меди.

Терагерцевое излучение проходит через входную диафрагму и падает на соответствующую размеру диафрагмы часть термоэлектрических ветвей, приводя к их нагреву и, таким образом, созданию градиента температур вдоль каждой из термоэлектрических ветвей, благодаря чему между двумя контактами (электродами) возникает термо-ЭДС, регистрируемая и усиливаемая посредством платы усиления и передаваемая на внешнее устройство измерения напряжения.

Увеличение длины термоэлектрических ветвей при соответствующем пропорциональном увеличении площади падающего на них пучка ТГц излучения, равно как и увеличение количества таких ветвей при неизменной площади пучка, приводит к увеличению эффективности детектирования за счет роста значения термо-ЭДС. Таким образом, для реализации заявленного изобретения необходим подбор оптимальных значений количества ветвей и их длины с учетом площади, освещаемой ТГц излучением, и оптимальной ширины термоэлектрических ветвей, обеспечивающей достаточно низкое электрическое сопротивление. В качестве материала, из которого предлагается выполнять такие термоэлектрические ветви, предлагается использовать тонкие пленки твердого раствора висмут-сурьмы.

На фиг. 2 представлен эскиз корпуса детектора 1 в форме прямоугольного параллелепипеда с посадочными резьбовыми отверстиями снизу и сбоку 2 для монтажа на оптический стол с помощью держателя, интерфейсом 3 на боковой поверхности для подключения внешнего источника питания, интерфейсами электрических контактов 4 для подключения к внешнему устройству измерения разности потенциалов. На фронтальной стороне корпуса в центре расположено прямоугольное окно (диафрагма) 5, ограничивающее сечение терагерцевого излучения, которое попадает на расположенный за окном термоэлектрический элемент 6, в рамках оптимальной площади его падения на группу термоэлектрических ветвей, подключенных к плате усилителя 7, которая расположена за термоэлектрическим элементом 6, запитывается от внешнего источника питания 3 и на выходе соединяется с интерфейсом электрических контактов 4, расположенным на внешней стороне устройства. За прямоугольным окном 5 с двух противоположных сторон от термоэлектрического элемента 6 расположен радиатор 8, обеспечивающий рассеивание тепла за пределы корпуса детектора 1. Фронтальная сторона корпуса с диафрагмой закрывается прямоугольной крышкой при транспортировке и хранении.

На фиг. 3 представлена блок-схема платы усиления, на вход которой поступает сигнал сенсора (термоэлектрического элемента) 6, проходящий последовательно через блоки зануления фонового сигнала и фильтрации от электромагнитных помех 9 (фильтры низких частот, ФНЧ), каскад инструментальных усилителей 10 и блок фильтрации электромагнитных помех 11.

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к детекторам терагерцевого (ТГц) излучения, и может быть использовано для широкополосного детектирования импульсного или непрерывного ТГц излучения или измерения его мощности. Сущность: в структуре детектора используется термоэлектрический материал с высокой чувствительностью к излучению ТГц диапазона частот, при этом в качестве чувствительного термоэлектрического элемента предлагается использовать термоэлектрические ветви из тонкой пленки твердого раствора висмут-сурьма Bi_1-xSb_x. Технический результат заключается в обеспечении возможности высокочувствительного детектирования непрерывного и импульсного ТГц излучения мощностью до 500 мВт при температуре от -10°C до +50°C в диапазоне частот 0,1÷10 ТГц с чувствительностью не менее 30 мВ/Вт, эквивалентной мощностью шума не хуже 0,15 нВт⋅Гц^-1/2, временем отклика не более 20 мкс, частотой модуляции 1÷40 Гц. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство детектирования непрерывного и импульсного терагерцевого излучения в диапазоне частот от 0,1 до 10 ТГц, работающее на основе фототермоэлектрического эффекта, состоящее из чувствительного элемента, выполненного на основе последовательно соединенных термоэлектрических материалов на диэлектрической подложке, и электродов (проводников), соединенных с платой усилителя, отличающееся тем, что в качестве термоэлектрического материала используется тонкая пленка твердого раствора висмут-сурьма Bi_1-x Sb_x.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина d (нм) тонкой пленки висмут-сурьмы находится в интервале: 100≤d≤500.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что концентрация сурьмы x (ат %) находится в интервале: 5≤x≤17.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде массива термоэлектрических ветвей, количество которых n (шт.) определяется из соотношения: n≥2.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что ширина термоэлектрических ветвей w (мм) находится в интервале: 0,01≤w≤3,0.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что длина термоэлектрических ветвей l (мм) находится в интервале:5≤l≤50.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что чувствительность детектора составляет не менее 10 В/30 мВт при использовании платы усиления.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что эквивалентная мощность шума не превышает значения 0,15 нВт·Гц^-1/2.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что время отклика составляет не более 20 мкс.