Однофотонный квантовый болометр Российский патент 2024 года по МПК G01J5/20 H01L31/09 H01L27/14 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов инфракрасного и терагерцового диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в спектроскопии одиночных молекул, исследованиях квантово-размерных нанокристаллов и наноструктур, астрономии, биомедицине.

Введение.

Высокочувствительные регистраторы параметров и свойств электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне делятся, в основном, на два больших класса - фотонные приемники и болометры [1]. По физике действия они отличаются электронными процессами: в фотоприемниках - на основе межзонных электронных переходов, хорошо проявляемых для видимого и ближнеинфракрасного диапазонов; в болометрах - внутризонных электронных процессов, лучше проявляемых в дальнеинфракрасной и терагерцовой спектральных зонах.

Действие фотонных приемников основано на внешнем или внутреннем фотоэффекте, когда возбужденные излучением электроны испытывают эмиссию в вакуум или полупроводник, изменяя электронный поток или электрический ток.

Действие болометра основано на изменении величины какого-либо измеряемого физического параметра приемника при его нагревании поглощенным излучением. В качестве измеряемого физического параметра удобно выбирать тот, который можно наиболее просто и эффективно превратить в электрический сигнал для дальнейшей обработки. Обычно используют пиро- и терморезистивный эффекты, термо-ЭДС.

Болометрические приемники имеют ряд преимуществ по сравнению с фотонными - по уровню шумов они не требуют охлаждения и могут работать при комнатной температуре, что существенно упрощает тепловизионную систему, делает ее более надежной, удобной в использовании и менее дорогой. Болометр не имеет длинноволнового предела - он может успешно детектировать микроволновое излучение - дальнеинфракрасное (ДИК), терагерцовое (ТГц) и сверхвысокочастотное (СВЧ).

Аналоги и прототип.

Болометры можно условно разделить на две больших группы - высокочувствительные (многофотонные, неохлаждаемые) и сверхвысокочувствительные (однофотонные, охлаждаемые). Принцип работы всех вариантов примерно одинаков: при попадании микроволнового излучения, собираемого антенной, в абсорбер определенной структуры, его энергия поглощается электронами в этой структуре, что приводит к росту температуры электронного газа в ней. В структуре охлаждаемого болометра амплитуда колебаний атомов в кристаллической решетке (фононов) чрезвычайно мала, поэтому фононы слабо связаны с электронным газом, что обеспечивает сохранение энергии в электронной подсистеме. При поглощении сигнала средняя энергия электронов возрастает, а вместе с тем и возрастает их вероятность туннелирования в сверхпроводник и изменения его проводимости. В этой связи по принципу электронного действия структуры можно разделить на две подгруппы - с горячими и холодными электронами.

В работе [2] рассмотрено состояние терагерцовых наноболометров с горячими электронами (nano-НЕВ). При достигнутом шумовом эквиваленте пороговая мощность близка к 10^-19 Вт/Гц^1/2 и потенциально способна приближаться к пределу ~10^-20 Вт/Гц^1/2. Нано-НЕВ важны для космических астрофизических платформ со сверхнизким фоном субмиллиметрового излучения.

В работе [3] представлены результаты исследований и разработок в области сверхпроводникового однофотонного детектора на горячих электронах (SSPD). SSPD представляет собой тонкопленочную наноструктуру - очень узкую и длинную полоску сверхпроводника, изогнутую в виде меандра, изготовленную из пленки NbN толщиной 4 нм, нанесенной на сапфировую подложку. За счет уменьшения ширины полоски до 40 нм улучшена эффективность регистрации однофотонной приемной системы до 20% при 1550 нм и расширен диапазон длин волн за пределы 1800 нм за счет использования фторидного волокна ZBLAN.

В болометрах на холодных электронах (БХЭ) сверхмалый размер абсорбера и принципиальная развязка между электронной и фононной подсистемами обеспечивают эффективное электронное охлаждение, уменьшение бездиссипативного двухэлектронного тока, основанного на так называемом андреевском отражении от границы сверхпроводника, и, благодаря этому, существенно снижаются собственные шумы и повышается чувствительность [4, 5].

Таким образом, наиболее перспективными и интересными вариантами являются однофотонные болометры, действующие на принципах прямого воздействия излучением на электроны и отличающиеся конструкцией, в основе которой используются разные варианты пленочной наноструктуры.

Известны варианты технических решений отличающихся структурой однофотонных болометров, например: US 4464065 - охлаждаемый однофотонный сверхпроводящий тонкопленочный болометр, изготовленный путем анодирования тонкой пленки таких материалов, как нитрид ниобия с образованием топкой зернистой пленки, разделенной и покрытой анодированным оксидом; US 5228777 - электронный болометр содержит квантовую яму между двумя барьерными слоями; US 6812464 - детектор одиночных фотонов включает в себя сверхпроводниковую полоску, смещенную вблизи критического тока; US 9666743 - детектор для обнаружения одиночных фотонов инфракрасного излучения, выполненный с листом графена и сконфи-гурированый таким образом, что затухающие волны из волновода перекрывают лист графена; US 11747196 - детектор фотонов на нанопроволоке, содержащий: цельный субстрат, по меньшей мере, одну сверхпроводящую нанопроволоку, выполненную с возможностью поглощения фотона; US 20110168894 - нанопроволочный фотодетектор болометра; US 9945728 - детектор для обнаружения одиночных фотонов инфракрасного излучения с листом графена; US 5634718 - болометр на основе сверхпроводника с холодными электронами (СЕВ), который содержит обычный туннель металл-изолятор-сверхпроводник; ЕР 3066699 - болометр содержит структуру сверхпроводник-изолятор-полупроводник-сверхпроводник; полупроводник содержит электронный газ в слое кремний, в котором долинное вырождение, по крайней мере, частично снимается; JP 2004288852 - одна из форм болометра на основе сверхпроводника представляет собой болометр горячих электронов (НЕВ), который состоит из сверхпроводника и пары обычных металлических контактов; JP H114014 - полупроводниковый фотодетектор в форме обратного НЕМТ. включающий структура сверхпроводник-изолятор-полупроводник, причем полупроводник содержит двумерный электронный газ; RU 2327253 - быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами; RU 2697568 - детектор на основе графена, содержащий нелинейный элемент на наноструктуре с двумерной системой; Кин Чунг Фонг-детектор фотонов, включающий переход графен-изоляционно-сверхпроводник, выполненный в виде датчика температуры.

Наиболее близким по структуре к заявляемому (прототипом) выбран патент РФ 2609729 - сверхпроводниковый однофотонный детектор, который содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, чувствительный элемент, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала, расположенный между контактными площадками, концы которого подсоединены к последним, при этом к упомянутому чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор, сопротивление которого превышает сопротивление упомянутых контактных площадок, расположенный с зазором относительно подложки, на расстоянии от нее, не превышающем значение, получаемое из выражения L=Vx(t/2), где V - скорость распространения сигнала в линии; t - длительность импульса. Детектор, отличающийся тем, что фактор к заполнения чувствительного элемента составляет более 0,75 и определяется из следующего соотношения: k=a/b, где а - ширина полоски чувствительного элемента; b - период чувствительного элемента.

Критика аналогов и прототипа, обоснование предлагаемого решения.

Одинаковым и принципиальным для всех вариантов аналогов является использование в качестве активного элемента двухмерного сверхпроводника - в виде наноразмерной пленки или графенового нанолистика. Для осуществления сверхпроводимости необходимо охлаждение до критической температуры. Величины критической температуры зависят от конкретного материала, способного к соответствующему фазовому переходу. При этом возможна высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), определяемая химическим составом и кристаллической структурой вещества [7]. Это - сложные многокомпонентные соединения со слоеной структурой, в которой некий промежуточный моноатомный слой способен к сверхпроводимости благодаря особым свойствам электронных связей. Однако при этом возникают проблемы долговременной стабильности состояния ВТСП.

На самом деле, сверхпроводимость - сугубо квантовомеханическое явление, обусловленное волновым процессом движения электрона в кристаллической структуре [8]. В этой связи принципиальное значение имеет взаимодействие электронов, то есть их волн, между собой и с кристаллической решеткой. При этом важным является число действующих электронов. Очевидно, что для рассматриваемого однофотонного процесса нужна одноэлектронная проводимость. Такая проводимость известна для квантовых точек - квантоворазмерных нанокристаллов [9].

Таким образом, основные недостатки рассматриваемых вариантов однофотонных приемников (регистраторов, болометров) связаны с тем, что нужны либо сверхглубокое (порядка 1 К) охлаждение, либо использование специальных сложных материалов ВТСП с нерешенными пока проблемами надежности и стабильности их действия. По физике квантовых процессов эти недостатки обусловлены использованием наноструктур, не обладающих трехмерными квантовораз-мерными свойствами и одноэлектронной квантовой проводимостью.

Описание предлагаемого технического решения

Решение задачи предлагается в данной заявке благодаря использованию квантоворазмерных нанокристаллов узкозонных полупроводников.

Предложение основано на свойствах квантоворазмерного нанокристалла - квантования в нем одноэлектронного движения [9, 10].

Движение электрона через нанокристалл описывается решением уравнения Шредингера и обусловлено дебройлевским волновым процессом. В простом случае одномерного одноэлектронного процесса в глубокой прямоугольной протяженной потенциальной яме на линейной дистанции a_n (одного из размеров нанокристалла) значения разрешенных уровней энергии электрона Ẽ_qn могут быть получены в следующем виде [10, 11]:

где: h - постоянная Планка, m и m₀ - эффективная масса и масса «покоя» электрона, q - квантовое число.

Квантуемое движение электрона в нанокристалле выразится на вольтамперной характеристике (ВАХ) резонансными пиками, положение которых определяется значениями напряжения на нанокристалле, адекватного Ẽ_qn по формуле (1) для случаев q=1 (мода 1-го порядка) и q=2 (мода 2-го порядка).

На рисунке фиг. 1 отображена качественная картина резонансных волновых мод первого (q=1, нижняя кривая) и второго (q=2, верхняя кривая) порядков - в квантовом одномерном слое по данным работы [12]. На рисунке: по вертикали - квадрат модуля огибающих волновых функций электрона, по горизонтали - координата поперек нанослоя.

На рисунке фиг. 2 отображена кривая ВАХ с характерными резонансными пиками тока (квантовой проводимости) в точках V₁~ Ẽ_q=1 и V₂ ~ Ẽ_q=₂. (V₁ и V₂ обозначены как V_r)

Энергетический интервал межмодового перехода Δ Ẽ_2-1=( Ẽ_q=2 - Ẽ_q=1) ~ 3h² (8wa_n²)^-1. Число поглощаемых фотонов в их сумме энергии перекрытия будет ΔẼ/hv, где hv - энергия кванта поглощаемого излучения, а v - частота его электромагнитной волны.

Поглощение электроном фотона излучения частоты v добавляет ему энергии hv. Это создает расстройку квантово-волнового резонанса и обнуление пика тока моды q=1, что можно использовать как индикатор наличия фотона. Дальнейшее последовательное пофотонное поглощение приведет к переходу электрона в состояние моды q=2, для чего надо, чтобы электрон поглотил количество фотонов, равное ΔẼ_2-1/hv ~ 3h(8vma_n²)^-1. Расчет и экспериментальные данные (ВАХ типа фиг. 2) показывают, что это - большой энергетический интервал, больше одного электронвольта. Для его перекрытия требуется много фотонов, энергия каждого из которых может быть существенно меньше одного электронвольта. Для однофотонного случая проведем ниже следующее рассмотрение.

Изменение энергии электрона в условиях размерного квантования можно найти дифференцированием формулы (1): ΔẼ_qn ~ 2h²q² (Δа²)^-1(Δa_n/a_n)=2Ẽ_qn(Δa_n/a_n)=2QẼ_qn. При этом величина Q=(Δa_n/a_n)=ΔẼ_qn/Ẽ_qn обусловлена процессом расстройки волнового резонанса в зоне второй моды, которая по физике происходит путем отражения дебройлевской волны от кристаллографических плоскостей. Мы примем, что ΔẼ_qn/Ẽ_qn~ ΔV/V_r, где ΔV - ширина токового пика в основании его импульса.

Тогда можно принять следующую обобщенную формулу для числа поглощенных фотонов:

Ограничение числа поглощаемых фотонов происходит также подачей напряжения определенного временного интервала - импульса длительностью t. Тогда в интервале этого времени число поглощаемых одиночных фотонов будет равно vt=ΔẼ/hv, откуда следует формула ограничения снизу длительности импульса напряжения на нанокристалле последовательным вычислением t для межмодового энергетического интервала - t ~ 2q²h(8v²ma_n²)^-1ΔV/V_r=2q²h(8c²m₀)^-1 (λ/a_n)²(m/_m0)^-1ΔV/V_r:

где: λ - длина волны излучения фотонов в микронах, a_n - в нанометрах. t - в пикосекундах.

Точное определение длительности импульса необходимо проводить экспериментально с учетом достижения наибольшей фоточувствительности с использованием эталонного источника измеряемого излучения. Верхнее значение границы длительности можно принять с неким запасом и установить приемлемый интервал изменений:

Значения размера нанокристалла a_n находятся по формуле (1) в предположении, достаточном для оценок, что энергия электрона Ẽ_qn~ V₀:

где V₀ - напряжение максимума резонансного пика на статической ВАХ.

В приборном исполнении предлагаемый вариант может быть использован (будет действовать) по ниже следующей схеме.

1. Измеряется статическая ВАХ. чтобы установить получение одного или двух резонансных пиков подобно рисунку фиг. 2 и оценить значения параметров: величин V₀ и интервала ΔV напряжения токового пика выбранной моды, предпочтительно, первой; величины размера нанокристалла a_n по формуле (5).

2. Между контактными площадками с нанозазором подается импульс варьируемого напряжения V и наибольшей варьируемой величины длительности t, вычисленной по формуле (4) с использованием полученных в п. 1 значений V₀, ΔV, a_n и предполагаемого интервала длины волны измеряемого излучения. Изменением величин напряжения импульса добивается получения наибольшего резонансного пика тока и фиксируется значение напряжения V_r.

3. Подключением эталонного источника излучения определяется оптимальное значение длительности импульса t.

4. Проводится непосредственное измерение тестируемого излучения следующим образом: изменениями напряжения импульса получается максимум величины резонанса тока, снижается величина напряжения минимально до получаемого значения V_i, чтобы вывести из состояния резонанса, подается измеряемое пофотонное излучение, восстанавливая резонанс, и измеряется величина импульса напряжения резонанса V_r.

5. Оценивается величина поглощенной энергии (V_r-V_i) и делением ее на известное (заранее) значение энергии кванта hv оценивается число поглощенных фотонов.

Применение.

На рисунке фиг.3 приведен фрагмент статической ВАХ для образца нанокристалла анти-монида индия (NC-InSb). По ВАХ определяются параметры V₁-0,8 V и ΔV~ 0.1V. Оценка величины a_n по формуле (5) дает значение ~5.5 нм. При этом использовано значение для InSb m/m₀~0.013 [http://xumuk.ru/encyklopedia].

Значения величин t по формуле (3) для случаев излучений с длиной волны (10-30) мкм получаются следующими: -(1-50) пикосекунд. Точное значение определяется с учетом конкретной длины волны и получения наибольшей фоточувствительности).

Весь процесс фото-электрического преобразования происходит за время подачи импульса и одновременного воздействия фотоном. При этом, судя по ВАХ (фиг. 3), время «задержки» электрона при его транспорте в нанокристалле равно е/I(е - заряд электрона) ~ (10^-19:10^-8)=10^-11 с, а пиковая действующая мощность - Ix V~10^-8 × 1=10^-8 Вт.

В импульсе напряжения ~ 1пс происходит преобразование электрон-фотонной энергии (10^-8 Дж/с×10^-12 с) 10^-20 Дж, что практически равно теоретическому пределу пороговой энергетической чувствительности [2]. При этом благодаря одноэлектронному резонансному процессу транспорта можно предполагать, что рассматриваемая электронфотонная система будет не чувствительна к шумам - температурным, тепловым и токовым флуктуациям.

В работе проведены подтверждающие предлагаемую модель эксперименты, за исключением использования суперкоротких импульсов по причине недоступности дорогостоящей аппаратуры [13].

Список источников информации

1. Формозов Б.Н. Ф80 Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2002. 120 с: ил.

2. B.S. Karasik, A.V. Sergeev, D.E. Prober. Nanobolometers for THz Photon Detection REPLACE THIS LINE WITH YOUR PAPER IDENTIFICATION NUMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1208/1208.5803.pdf

3. Korneev A.A. and others. IR SINGLE-PHOTON RECIEVER BASED ON ULTRATHIN NbN SUPERCONDUCTING FILM JOURNAL OF RADIO ELECTRONICS, N5, 2013

4. L. S. Kuzmin and others. Photon-noise-limited cold-electron bolometer based on strong electron self-cooling for high-performance cosmology missions // Communications Physics. 2019. DOI: 10.1038/s42005-019-0206-9.

5. E. A. Matrozova and others. Absorption and cross-talk in a multipixel receiving system with cold electron bolometers // Superconductor Science and Technology. 2019. DOI: 10.1088/1361 -6668/ab 151d

6. Патент РФ 2609729 Сверхпроводниковый однофотонный детектор с управляемым эффектом памяти. Приоритет о2.11.2015. ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнолоии».

7. https://www.chem.msu.su/rus/teaching/vtsp/02.html

8. https://elementy.ru/bookclub/chapters/430825/430830

9. 8. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков. Электронный транспорт в одиночных коллоидных квантово-размерных частицах в межэлектродном нанозазоре. Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып.8, с. с. 18-22. DOI: 10.21883/PJTF.2022.08.52361.19090

10. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков, С.Н. Штыков. Размерное моделирование синтеза и проводимости коллоидных квантовых точек. Физика и техника полупроводников, 2022, том 56, вып.6, с. с.552 - 557. DOI: 10.21883/FTP.2022.06.52588.9809

11. В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин, Основы наноэлектроники (Логос, М., 2006), с. 495.

12. Г.Ф. Глинский. Письма в ЖТФ, 44(6), 17 (2018). DOI: 10.21883/PJTF.2018.06.45763.17113.

13. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков, А.Г. Роках. Электронфотонные взаимодействия в условиях размерного ограничения проводимости в полупроводниковых одиночных квантово-размерных частицах в межэлектродном нанозазоре. Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып. 3, 42-46. DOI: 10.21883/PJTF.2023.03.54466.19393

Изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов инфракрасного и терагерцового диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в спектроскопии одиночных молекул, исследованиях квантово-размерных нанокристаллов и наноструктур, астрономии, биомедицине. Однофотонный квантовый болометр содержит подложку, размещенные на ней контактные площадки, между ними - чувствительный элемент, выполненный в определенных условиях структуры и режима применения. Контактные площадки выполнены с зазором между ними ~10 нм. Чувствительный элемент выполнен как нанокристалл узкозонного полупроводника в режиме одноэлектронного эмиссионно-туннельного транспорта с квантово-волновым резонансом, который проявляется в виде отдельного резонансного пика тока, получаемого при приложении между контактными площадками импульсов напряжения величиной V_r, шириной в основании ΔV и длительностью, заданной в соответствии с формулой: t ~ 10^-2(λ/a_n)²(m/m₀)^-1 ΔV/V_r, где λ - длина волны излучения принимаемых фотонов в микронах, a_n - размер нанокристалла в нанометрах, m/m₀ -эффективная масса электрона полупроводника нанокристалла и масса «покоя» электрона. Значения размера нанокристалла оцениваются по формуле a_n ~ (2.7V₀m/m₀)^-1/2, где V₀ - напряжение в точке максимума резонансного пика на статической вольтамперной характеристике. Технический результат - повышение энергетической чувствительности, упрощение структуры и технологии формирования. 3 ил.

Однофотонный квантовый болометр, содержащий: подложку, размещенные на ней контактные площадки, и- чувствительный элемент между контактными площадками, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены с зазором между ними ~10 нм, чувствительный элемент выполнен как нанокристалл узкозонного полупроводника в режиме одноэлектронного эмиссионно-туннельного транспорта с квантово-волновым резонансом, проявляемым в виде отдельного резонансного пика тока, получаемого при приложении между контактными площадками импульсов напряжения величиной V_r, и длительностью, заданной в соответствии с формулой: t ~ (10^-2÷10^-1) (λ/a_n)²(m/m₀)^-lΔV/V_r, где λ - длина волны излучения принимаемых фотонов в микронах, a_n - размер нанокристалла в нанометрах, m/m₀ - эффективная масса электрона полупроводника нанокристалла и масса «покоя» электрона, причем точные значения t определяют экспериментально с учетом получения наибольшей фоточувствительности с использованием эталонного источника, а значения размера нанокристалла оценивают по формуле a_n ~ (2.7V₀m/m₀)^-1/2, где V₀ - напряжение в точке максимума резонансного пика на статической вольтамперной характеристике.