Детектор электромагнитного излучения Российский патент 2024 года по МПК H01L27/14 

Изобретение относится к области детекторов электромагнитного излучения терагерцового и инфракрасного диапазонов на основе двумерных материалов и может быть использовано в устройствах для получения изображения в указанных спектральных диапазонах, реализующих задачи тепловидения и термографии, мониторинга состава атмосферы, дистанционного обнаружения опасных веществ и многие другие.

Детектирование электромагнитного излучения за пределами видимого диапазона необходимо для решения значительного количества прикладных задач. Так, инфракрасное излучение несет информацию о температуре тел, что применяется для дистанционной термографии, а также для обнаружения техники в условиях ограниченной видимости. Спектральные линии многих газовых и биологических молекул находятся в инфракрасном (ИК) и терагерцовом (ТГц) диапазонах, соответственно, что позволяет реализовывать мониторинг состава атмосферы и медицинскую диагностику с помощью инфракрасных и терагерцовых спектрометров. Наконец, переход к излучению суб-ТГц диапазона (0,1-0,3 ТГц) в системах беспроводной передачи данных позволит пропорционально повысить объемы передаваемой информации в единицу времени. Однако полноценное использование суб-ТГц излучения для беспроводных коммуникаций осложнено высоким атмосферным поглощением, для нивелирования данной проблемы необходимо создание высокочувствительных ТГц детекторов.

Основной проблемой детектирования инфракрасного излучения является малый коэффициент поглощения полупроводниковыми материалами в данной спектральной области. Действительно, энергия кванта в ИК и, особенно, в ТГц диапазоне недостаточна для межзонного поглощения, а поглощение на свободных носителях уже подавлено в условиях частоты электромагнитной волны, превышающей частоту столкновений носителей. Малое поглощение в ТГц и ИК диапазонах заставляет применять различные конструкции для концентрации электромагнитного поля, например, решетки или антенны. Помимо усложнения технологии изготовления фотодетектора в целом, подобные концентраторы поля обычно являются резонансными, то есть работают в узком, заранее заданном, спектральном диапазоне.

Второй существенной проблемой детектирования сверх-длинноволнового излучения является необходимость создания p-n-переходов в материалах, способных к поглощению в данном спектральном диапазоне. Однако технологии легирования таких узкощелевых материалов, как теллурид кадмия-ртути, арсенид индия, графен, еще не отработаны, и легирование приводит к ухудшению подвижности носителей и снижению времени отклика фотоприемного устройства.

Для решения этой проблемы предложены и реализованы детекторы, где генерация фототока не требует p-n - перехода, например, использующие явление фотонного ветра (P.A. Obraztsov, G.М. Mikheev, S.V. Garnov, А.N. Obraztsov, and Y.P. Svirko, "Polarization-sensitive photoresponse of nanographite," Appl. Phys. Lett., vol. 98, no. 9, pp. 0-3, Feb. 2011), плазмонного увлечения (V.M. Muravev, A.A. Fortunatov, A.A. Dremin, and I.V. Kukushkin, "Plasmonic interferometer for spectroscopy of microwave radiation," JETP Lett., vol. 103, no. 6, pp. 380-384, 2016), термоэлектрического эффекта на биметаллических контактах (X. Cai et al., "Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene," Nat. Nanotechnol., vol. 9, no. 10, pp. 814-819, 2014). Первый эффект является слабым в меру малости импульса фотона по сравнению с импульсом электрона в полупроводнике, второй требует полупроводниковых материалов со сверхвысокой электронной подвижностью, третий является сложным в реализации по причине множества процессов совмещения и литографии.

Известны технические решения на основе помещения ИК - чувствительных материалов (в том числе двумерных) в резонаторы для электромагнитных полей (см. например, патент на полезную модель CN 209766452 U), где слой графена помещен в резонатор на основе канавок в кремниевой подложке, боковая поверхность канавки образует ломаную линию. Помимо усложнения технологии изготовления фотодетектора в целом, подобные концентраторы поля обычно являются резонансными, то есть работают в узком, заранее заданном, спектральном диапазоне.

Известны технические решения для усиления поглощения, основанные на структурировании поверхности самого чувствительного материала - эффекты «развитой поверхности», описанные в патенте CN 111987111 А, где поверхность полупроводникового слоя, выполнена в виде ломаной линии и имеет вогнуто-выпуклую структуру, образованную ростом нанокристаллических зерен. Однако в этом случае фотодетектор приобретает большое количество поверхностных дефектов, что заметно снижает его скорость срабатывания.

Известен детектор терагерцового излучения на основе графена (В.М Хисамеева А.Р., Муравьев. Патент РФ на изобретение №2697568 «Детектор терагерцового излучения на основе графена», 15.08.2019), использующий для генерации фототока явления плазмонного резонанса в графене для усиления локальной напряженности поля и нелинейного детектирования на асимметричных проводящих контактах к двумерной системе. Усиление поглощения в данном детекторе достигается с помощью возбуждения так называемых «релятивистских плазменных волн». По сути, они являются колебаниями в LC-контуре, образованном индуктивностью двумерного материала и емкостью металлических контактов. Возбуждение данных мод требует индуктивного характера поверхностного импеданса двумерного материала.

Недостатки указанного детектора заключаются в том, что это требование заведомо невыполнимо в материалах с небольшой электронной подвижностью, например, графене, выращенным методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Также оно невыполнимо в инфракрасном диапазоне, где возбуждение плазмонов подавлено в силу диэлектрических потерь. В итоге, функционирование данного детектора ограничено использованием только материалов с высокой подвижностью и терагерцовым диапазоном частот.

Известны технические решения «металл - графеновые нанокомпозиты», и датчики на их основе (М. Jarrahi, S. Cakmakyapan. "Metallo-graphene nanocomposites and methods for using metallo-graphene nanocomposites for electromagnetic energy conversion." U.S. Patent No. 11,456,392. 27 Sep. 2022), среди которых представлены фотодетектирующие структуры «металл - графен» (Фиг. 1А). В патенте описан фотодетектор «металл-графен-металл», включающий расположенные на диэлектрической подложке чувствительный элемент из поглощающего слоя графена и металлические контактные электроды, примыкающие к нему, где один из контактов выполнен в форме прямоугольного меандра, то есть в виде связанных между собой с одной стороны прямоугольных полосок, а другой выполнен гладким. Детектор также снабжен измерительным устройством.

Недостатком указанного технического решения является необходимость достижения дипольного антенного резонанса в выступающих элементах для усиления поглощения. Однако это обеспечивает усиление поглощения лишь нескольких выделенных длинах волн. Далее, антенный дипольный резонанс требует размера выступа меандра, порядка длины волны излучения. Это приводит к нерациональному использованию площади детектирующего элемента - графена, особенно в дальнем ИК и терагерцовом диапазонах, где размер контакта составляет от десятков микрон до единиц миллиметров, что ограничивает чувствительность устройства.

Данное устройство наиболее близко по конструкции и принципу работы к заявляемому детектору электромагнитного излучения на основе двумерного материала, поэтому принято в качестве прототипа.

Технические задачи, на достижение которых направлено изобретение, заключаются в повышении чувствительности детектора, расширении диапазона рабочих температур вплоть до комнатной температуры, расширении диапазона детектируемых длин волн - от единиц микрометров до единиц миллиметров, возможностью использования графена с произвольным значением электронной подвижности, в т.ч. графена с низкой подвижностью порядка и менее 10³ см²/(В⋅с), полученного методом химического осаждения из газовой фазы.

Техническим результатом, достигаемым в заявляемом детекторе, является увеличение фоточувствительности (фотонапряжения на единицу мощности падающего излучения) и снижении мощности, эквивалентной шуму, в широком диапазоне длин волн при комнатной температуре. Результат достигается благодаря усилению локальной интенсивности электромагнитного излучения на одном из контактов Шоттки «металл - двумерный материал», не зависящему от длины волны излучения и подвижности носителей в чувствительном элементе, что создает ненулевой средний фототок в двумерном материале без приложения напряжения смещения и обеспечивает низкую эквивалентную мощность шума

Технический результат достигается тем, что в известном детекторе электромагнитного излучения на основе двумерного материала, графена, снабженном двумя металлическими контактами к нему, одна из границ металла и двумерного материала выполняется гладкой, а вторая микроструктурированной в форме ломаной линии, содержащей острые углы, направленные остриями в сторону двумерного материала.

Результаты достигаются благодаря эффекту усиления локальной напряженности электрического поля электромагнитной волны вблизи заостренных объектов. Эффект является квазистатическим и нерезонансным, то есть наблюдается в широком диапазоне длин волн. Единственное ограничение на длину волны детектируемого излучения происходит из требования нахождения фоточувствительной части двумерного материала - барьера Шоттки длиной порядка сотни нанометров - внутри области усиленного поля. Ширина этой области усиленного поля составляет около одной десятой длины волны регистрируемого излучения. Это ограничивает детектируемую длину волны значением около 1 мкм снизу, но не ограничивает ее сверху. В отличие от эффекта плазмонного резонанса, использованного, в частности, в аналоге (патент РФ на изобретение №2697568), усиление поля вблизи заостренных объектов не зависит от электронной подвижности в двумерном материале. Это позволяет реализовывать детекторы на основе графена с относительно малой подвижностью порядка и менее 10³ см²/(В⋅с), получаемого промышленным методом химического осаждения из газовой фазы, а также не накладывает никаких ограничений на рабочую температуру детекторов. Технически эффект усиления поля реализован в данном изобретении благодаря микроструктурированию одного из металлических контактов, то есть выполнению границы металла в виде ломаной линии, содержащей острые углы. Интенсивность электромагнитной волны локально усиливается нерезонансным образом вблизи каждого из острых углов. Второй контакт «металл - двумерный материал» выполняется без микроструктурирования, и усиления локальной интенсивности излучения вблизи него не происходит. Подобное асимметричное усиление поля только вблизи одного из контактов «металл - двумерный материал» обеспечивает возникновение фототока при нулевом напряжении смещения. Следствием этого является уменьшение мощности электрических шумов в детекторе, которые ограничиваются тепловыми шумами и имеют спектральную плотность порядка единиц нВ/Гц^1/2 при комнатной температуре. Указанный эффект усиления также не требует резонансных металлических элементов типа антенн с размером порядка длины волны падающего излучения, и это позволяет масштабировать фотодетектор путем многократного последовательного повторения чувствительного элемента. Эффект усиления локальной интенсивности вблизи микроструктурированного контакта является независящим от конкретного рода чувствительного материала и имеет место пока толщина чувствительного материала в вертикальном направлении остается меньше длины волны излучения, деленной на показатель преломления этого материала. Это позволяет использовать в качестве чувствительного элемента произвольные материалы в тонкопленочном исполнении, например, многослойный графен, пленки халькогенидов переходных металлов, квантовые ямы с двумерными электронами, инверсионные слои полевых транзисторов.

Признаками, отличающими заявляемый детектор электромагнитного излучения от прототипа, являются:

- выполнение границы одного из металлических контактов к двумерному материалу, графену, микростуктурированной в форме ломаной линии с острыми углами, направленными остриями в сторону двумерного материала;

- размещение между двумя крайними металлическими контактами N≥1 дополнительных последовательных не смыкающихся металлических контактов, с микроструктурированной границей;

- использование в качестве чувствительного элемента произвольного материала в виде тонкой пленки с толщиной, меньшей длины волны излучения, деленной на показатель преломления этого материала, например, многослойного графена, халькогенидов переходных металлов, квантовых ям с двумерными электронами, инверсионных слоев полевых транзисторов.

Сущность изобретения поясняется чертежами на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.

На Фиг. 1. Схематично представлен детектор электромагнитного излучения на основе двумерного материала, графена, с микроструктурированным контактом.

На Фиг. 2. Схематично представлен детектор электромагнитного излучения на основе двумерного материала, графена, с несколькими микроструктурированными контактами.

На Фиг. 3. Схематично представлен, в качестве варианта исполнения, детектор электромагнитного излучения на основе квази-двумерного материала, в качестве примера которого приведена тонкая пленка из N≥1 последовательно составленных атомарных монослоев.

Детектор электромагнитного излучения (Фиг. 1) состоит из чувствительного двумерного канала из графена (3) с двумя металлическими контактами (2 и 4), один из которых является микроструктурированным, т.е. имеет границу в форме ломаной линии с острыми углами (2). Контакты 2 и 4 соединены с измерительным устройством 5 для регистрации фотонапряжения.

Принцип работы детектора электромагнитного излучения (Фиг. 1) состоит в следующем. Электромагнитное излучение 1 падает на прибор, включая его металлические элементы и чувствительный двумерный канал. Электрическое поле падающей волны многократно усиливается вблизи микроструктурированного контакта 2 и остается практически неизменным вблизи гладкого контакта 4. Освещение приводит к генерации фотонапряжения на каждом из Шоттки - переходов 2-3 и 3-4, знаки этих парциальных фотонапряжений являются противоположными. Однако, в силу большей локальной интенсивности электромагнитного поля на микроструктурированном контакте, фотонапряжение на переходе Шоттки 2-3 по абсолютной величине превосходит фотонапряжение на переходе 3-4. Это приводит к конечному сигналу фотонапряжения при нулевом токе смещения. Механизм генерации фотонапряжения может быть произвольным (например, термоэлектрическим или фотовольтаическим).

Принцип работы детектора электромагнитного излучения с несколькими микроструктурированными контактами (Фиг. 2) аналогичен таковому для прибора с одним микроструктурированным контактом. Однако здесь суммируются парциальные фотонапряжения от нескольких последовательных контактов, отстоящих друг от друга на расстоянии менее 1/10 длины волны регистрируемого излучения, что обеспечивает рост чувствительности по напряжению.

Пример реализации предложенного изобретения и достижения технического результата иллюстрируется графиками, приведенными на Фиг. 4 и Фиг. 5. На Фиг. 4 представлено изображение двух детекторов (А) и (Б), первый из которых является детектором с несколькими микроструктурированными контактами, а второй - детектором с контактами в виде меандра, известным ранее. Размеры обоих устройств составляют 30 мкм × 30 мкм. В качестве чувствительного материала использован однослойный графен, полученный методом химического осаждения из газовой фазы, с полевой подвижностью носителей менее 500 см²/В с. На Фиг. 5 представлено сравнение фоточувствительностей по напряжению и мощностей, эквивалентных шуму, для двух устройств (А) и (Б). Эти величины измерялись как функции концентрации носителей заряда n-p, где n - концентрация электронов, р - концентрация дырок. Концентрация носителей изменялась с помощью нижнего кремниевого затвора, который является опциональным для конструкции детектора. Сигнал фотонапряжения измерялся при освещении устройств излучением с длиной волны 8.2 мкм и мощностью порядка 300 мкВт. Из Фиг. 5 видно, что детектор с несколькими микроструктурированными контактами действительно обеспечивает большую по абсолютной величине фоточувствительность по сравнению с детектором с контактами в форме меандра (0.43 В/Вт против 0.16 В/Вт). Далее видно, что минимальная достижимая мощность, эквивалентная шуму, в устройстве (А) меньше, чем в устройстве (Б) и составляет 27 нВт/Гц^1/2 против 90 нВт/Гц^1/2. Указанные измерения подтверждают заявленный технический результат, то есть увеличение фоточувствительности и снижение мощности, эквивалентной шуму, в устройстве с микроструктурированными контактами по сравнению с аналогами, известными ранее.

Изобретение относится к области детекторов электромагнитного излучения терагерцового и инфракрасного диапазонов на основе двумерных материалов и может быть использовано в устройствах для получения изображения в указанных спектральных диапазонах, реализующих задачи тепловидения и термографии, мониторинга состава атмосферы, дистанционного обнаружения опасных веществ и многие другие. Сущность изобретения состоит в том, что в детекторе электромагнитного излучения, включающем чувствительный элемент из двумерного материала, графена, снабженном двумя примыкающими металлическими контактами, граница между одним контактом и двумерным материалом выполняется гладкой, а вторая граница - микроструктурированной в форме ломаной линии, содержащей острые углы, направленные остриями в сторону двумерного материала. Технические результаты заключаются в повышении чувствительности детектора, расширении диапазона рабочих температур вплоть до комнатной температуры, расширении диапазона детектируемых длин волн - от единиц микрометров до единиц миллиметров, возможности использования произвольных тонкопленочных материалов в качестве чувствительного элемента, в т.ч. многослойного графена и графена с произвольным значением электронной подвижности, с низкой подвижностью порядка и менее 10³ см²/(В⋅с). 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Детектор электромагнитного излучения, включающий чувствительный элемент из двумерного материала, графена, два примыкающих к нему металлических контакта, граница одного из которых и граница двумерного материала выполнены гладкими, и измерительную схему, отличающийся тем, что граница двумерного материала и второго контакта выполнена микроструктурированной в форме ломаной линии, содержащей острые углы, направленные остриями в сторону двумерного материала.

2. Детектор электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что между двумя крайними контактами поверх двумерного материала размещено N≥1 дополнительных не смыкающихся металлических контактов, одна сторона каждого из которых является гладкой, а вторая - микроструктурированной.

3. Детектор электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что двумерный материал чувствительного элемента - графен с произвольным значением электронной подвижности, включая графен с низкой подвижностью порядка и менее 10³ см²/(В⋅с).

4. Детектор электромагнитного излучения по п. 1, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента используется произвольный материал в форме пленки с толщиной, меньшей длины волны света, деленной на показатель преломления этого материала, например многослойный графен, халькогенид переходного металла, квантовая яма с двумерными электронами, инверсионный слой полевого транзистора.